Методички / Курс деталей машин

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Б.В.ГЛУХОВ В.Ю.ИГНАТЮГИН

КУРС ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Учебное пособие

Допущено УМО вузов РФ по образованию в области транспортных машин и транспортно-технологических комплексов в качестве учебного пособия

для студентов вузов, обучающихся по специальности «Подъёмно-транспортные, строительные,

дорожные машины и оборудование» направления подготовки дипломированных специалистов «Транспортные машины и транспортно-технологические

комплексы»

Новосибирск 2009

УДК 621.81 (075.8) Г554

Глухов Б.В. Игнатюгин В.Ю. Курс деталей машин: Учебное пособие. – Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2009. – 320 с.

ISBN

Содержится основной и факультативный теоретический материал по дисциплине «Детали машин и основы конструирования» по разделам «Соединения», «Передачи» и «Детали, обеспечивающие вращательное движение», приведены примеры решения задач, вопросы для самоподготовки, экзаменационные вопросы и задачи.

Данное пособие предназначено для студентов специальности «Подъемнотранспортные, строительные и дорожные машины и оборудование» и других механических специальностей дневной и заочной форм обучения.

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р д-р техн. наук, проф. В.Н. Анферов

Р е ц е н з е н т ы:

Кафедра «Теория механизмов и машин и детали машин» Новосибирской государственной академии водного транспорта, завкафедрой д-р. техн. наук,

проф. А.М.Барановский,

канд. техн. наук, проф., завкафедрой "Машиноведение" Новосибирского государственного педагогического университета В.М.Потапов.

ISBN	© Глухов Б.В., 2009
	© Игнатюгин В.Ю., 2009
	© Сибирский государственный
	университет путей сообщения, 2009

Предисловие

Настоящее учебное пособие является расширенным конспектом лекций по дисциплине "Детали машин и основы конструирования", читаемых авторами в Сибирском государственном университете путей сообщения (НИИЖТе) для специальности «Подъёмно-транспортные, строительные и дорожные машины и оборудование». В нём использован многолетний педагогический и конструкторский опыт авторов. Учебный материал разделен на модули (лекции) и темы. Объекты курса — соединения, передачи и детали, обеспечивающие вращательное движение.

Ряд лекций насыщен материалами, выходящими за пределы отведенного рабочей учебной программой времени. Это связано с введением факультативного лекционного материала для использования в учебно-исследовательской работе студентов (УИРС), выполнения самостоятельных работ, в курсовом и дипломном проектировании. Минимально необходимое количество примеров расчёта предназначено для облегчения подготовки студентов к экзаменам.

Каждая тема пособия содержит вопросы для самоподготовки и перечень вопросов и задач для подготовки к экзамену. Ключевые положения и термины при изложении материала выделены либо курсивом, либо жирным курсивом с аббревиатурой NB (nota bene — заметь лучше).

Лекция №1

Тема 1: Введение в курс деталей машин и основ конструирования

Понятие «машина» широко вошло в нашу жизнь. Машиностроение – ведущая отрасль хозяйства страны. Её значение определяется тем, что основные производственные процессы во всех отраслях промышленности, транспорта,

строительства и сельского хозяйства производятся машинами.

Ярким примером использования комплекса машин является строительство железных дорог:

–необходимые грузы доставляются локомотивами, тракторами,

автомобилями, в отдельных случаях – судами, вертолётами, иногда самолётами;

– для подготовки земляного полотна используются экскаваторы, скреперы,

бульдозеры, грейдеры;

–укладка путевой решётки производится специальными укладочными кранами, а её погрузка в подвижной состав – козловыми кранами;

–балластировка пути выполняется дозаторами и балластерами;

–уплотнение балласта осуществляется выправочно-подбивочными и шпало-подбивочными машинами;

–планировка балластной призмы выполняется путевыми стругами;

–в процессе эксплуатации железнодорожного пути используются снегоочистители, дрезины, щебнеочистительные машины;

–в промышленном и гражданском строительстве используются башенные,

автомобильные и другие краны.

Приведенный перечень можно продолжить. Введение машин на заре развития машиностроения определялось маломощностью человеческого организма: длительно развиваемая мощность – 0,1 кВт. Машины же, созданные интеллектом человека, развивают несравненно более высокую мощность:

локомотивы до 8000 кВт; прокатные станы – 75 000 кВт; турбины и электрогенераторы до 2 млн. кВт; космические ракеты – 15 млн. кВт.

Эффективность транспортных машин характеризуется

грузоподъёмностью и скоростью перемещения. В настоящее время строятся автомобили грузоподъемностью до 380 т., подъёмные краны – 3000 т и более.

Эксплуатационная скорость поездов достигает 400 км/ч, воздушного транспорта –

2000 км/ч. Человек же может нормально нести не более 50 кг, передвигаясь со скоростью до 5 км/ч.

Машиноведение – наука о машинах, объединяющая комплекс научных дисцилин, связанных с машиностроением. Среди них – "Детали машин и основы конструирования" – научная дисциплина по теории, расчёту и конструированию деталей и узлов машин общего назначения.

Каждая машина состоит из деталей. Например, самолет содержит несколько миллионов деталей, бульдозер - 22 000 и т.д. Согласно ГОСТ 2.101 «Деталь –

изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций». Примеры: болт, вал, колесо, шкив, шпонка и т.д. Так, на рис. 1.1 представлены крепёжные детали. Детали более сложной формы – корпус, станина, коленчатый вал и др.

Рис. 1.1. Крепёжные детали

Детали объединяют в сборочные единицы (узлы). «Сборочная единица -

изделие, составные части которого подлежат соединению между собой на предприятии-изготовителе сборочными операциями». Соединение можно осуществлять: свинчиванием, склепыванием, сваркой, напрессовкой и тому подобными операциями. Простые сборочные единицы (подшипники, рис. 1.2)

могут входить в более сложные, например, в редуктор (рис. 1.3), которые в свою очередь являются узлами изделия (подъёмного крана, например) либо комплекса

(автоматизированной технологической линии).

Рис. 1.2. Подшипники качения

Рис. 1.3. Редуктор

Среди большого разнообразия деталей и узлов машин выделяют такие детали, которые применяются почти во всех машинах, выполняя одинаковые функции (в локомотивах, часах, прокатных станах). Такие изделия называют для краткости деталями машин. Они относятся к деталям машин общего назначения

и изучаются в курсе «Детали машин и основы конструирования». Основные разделы курса:

–соединения, разъёмные и неразъёмные;

–передачи трением и зацеплением;

–валы, оси, подшипники, муфты – детали, обеспечивающие вращательное движение;

–корпусные детали, пружины.

Все другие детали применяются в одном или нескольких типах машин. Они

относятся к деталям специального назначения и изучаются в специальных курсах.

Такими деталями являются, например, поршни компрессоров и двигателей внутреннего сгорания, барабаны лебедок и тормозов, шпиндели металлорежущих станков и т.п.

Конструирование – творческий процесс создания оптимального варианта машины в документах (чертежах, точнее, в конструкторской документации) на основе расчётов, конструктивного, технологического и эксплуатационного опыта с широким использованием компьютерной техники.

Основные задачи курса «Детали машин и основы конструирования»:

–изучение конструкций, типажа и критериев работоспособности деталей

машин;

–изучение основ теории совместной работы деталей машин и методов их расчёта;

–развитие навыков конструирования.

Курс базируется на общенаучных и общеинженерных дисциплинах и вместе с курсовым проектом завершает общетехническую подготовку, занимая ключевое положение между общетехническими и специальными дисциплинами. Он

является базой для изучения специальных дисциплин: грузоподъёмные машины,

автомобили и тракторы, строительные и путевые машины, являясь своеобразной

азбукой машиностроения.

Математический аппарат исследований заимствуется из математики,

методы анализа сил, напряжений и деформаций – из теоретической механики и сопротивления материалов, теоретические основы машиностроения – из теории механизмов и машин, свойства конструкционных материалов – из

материаловедения. Правильно сконструировать деталь и выполнить её рабочий чертёж позволят знания по инженерной графике, метрологии и стандартизации,

технологии конструкционных материалов.

Тема 2: Основы расчёта и конструирования деталей машин

2.1. Основные понятия

Совершенство конструкции детали оценивают по её надёжности и экономичности.

Экономичность определяется затратами на проектирование, изготовление,

эксплуатацию и ремонт.

Под надёжностью понимают свойство изделия выполнять функции,

сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение заданного промежутка времени или требуемой наработки, то есть сохранять во времени свою работоспособность.

Работоспособностью называют состояние деталей, при котором они способны нормально выполнять заданные функции с параметрами,

установленными нормативно-технической документацией (техническими условиями, стандартами и т.п.)

Наработка может исчисляться в часах работы, числом циклов нагружения,

километрах пробега автомобиля и т.п.

Надёжность, являясь сложным свойством, обуславливается или слагается из более простых свойств, в числе которых безотказность и долговечность.

Отказом называют нарушение работоспособности изделия.

Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания. Долговечность характеризуется ресурсами L.

2.2. Основные критерии работоспособности и расчёта деталей машин

Проектируемая машина должна удовлетворять техническим условиям, в

которые входят, прежде всего:

–производительность машины;

–надёжность и желаемый срок службы;

–рабочие скорости;

–весовые характеристики и т. д.

В отдельных случаях предъявляются дополнительные требования:

– габаритные размеры и возможность транспортировки;

–бесшумность работы;

–лёгкость управления и т. д.

Рассматривая основы проектирования деталей машин, следует выделить те требования, которые предъявляются к отдельным деталям. Работоспособность и надёжность деталей является одними из главных условий эффективной работы машин. И хотя причины отказов деталей различны, многие выходят из строя в

связи с разрушениями (прочностными отказами) и потерей геометрической формы и размеров (износовыми отказами). Прочностную и триботехническую надёжность деталей машин характеризуют рядом показателей – критериев,

важнейшими из которых являются: прочность, жёсткость, износостойкость,

виброустойчивость, теплостойкость, жаропрочность и др.

Из курса «Сопротивление материалов» известны несколько видов

прочности: на растяжение-сжатие, изгиб, кручение, срез, смятие, и жёсткости:

продольной, изгибной, крутильной. Износостойкость – сложный критерий,

расчёт по которому достаточно громоздкий. Условным расчётом на износостойкость является расчёт по давлению, фактически, по напряжениям смятия.

NB 2.1. Основные критерии работоспособности деталей машин – те требования, без удовлетворения которых деталь не сможет быть надёжной и долговечной. Основные критерии работоспособности и расчёта деталей машин – прочность, жёсткость, износостойкость и др.

Основные критерии работоспособности назначают на основе исследования физических процессов, приводящих к отказу. Например, в зубчатых передачах возможны поломки зубьев и выкрашивание рабочих поверхностей. Отсюда вытекают два критерия: изгибная прочность и контактная прочность. Расчёт по первому критерию по методике сопротивления материалов предотвращает излом зубьев. Причиной усталостного выкрашивания являются контактные напряжения, изучаемые в теории упругости.

Обеспечение прочностной и триботехнической надёжности, т.е.

предотвращение преждевременных разрушений деталей и их рабочих поверхностей, является основной задачей проектирования. При расчёте деталей

обычно используют один или два критерия работоспособности, а остальные критерии либо заведомо удовлетворяются, либо не имеют практического значения для рассчитываемых деталей.

2.3. Порядок проектирования деталей машин

Для того, чтобы составить математическое описание объекта расчёта и по возможности просто решить задачу, в инженерных расчётах реальные конструкции заменяют идеализированными моделями, или расчётными схемами,

а нагрузки и точки их приложения – условными. Проектирование предполагает два процесса – расчёт и конструирование, которые на определённых этапах ведут параллельно. Основные этапы проектирования:

1) Составление расчётной схемы.

Ни одна деталь не имеет форму, полностью соответствующую расчётным схемам, изучаемым в сопротивлении материалов. Например, при расчётах вала на прочность идеализируют его форму, представляя её в виде одномерной прямой,

которая в действительности объёмная и ступенчатая (рис. 2.1); опоры отличаются от идеальных шарниров, а материал вала рассматривают как однородный. При этом расчёт будет только приближённым, в котором важен правильный выбор расчётной модели, умение оценить главные и отбросить второстепенные факторы,

которые должны быть учтены в уточнённом расчёте. 2) Определение нагрузок.

На детали машин при работе, как правило, действуют переменные нагрузки. Характер изменения этих нагрузок может зависеть от факторов систематических и случайных. Для технологических машин характер нагрузок для одного технологического цикла остается приблизительно постоянным. Для транспортных машин, например, локомотивов, характер изменения усилий зависит от ряда

случайных факторов, таких, как вес состава, форма профиля пути (кривые,

подъёмы), ветровая нагрузка и т.п.