Элементы механизмов

DjVu

      ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ
      Книга «Элементы механизмов», выпущенная Оборонгизом в 1950 г., содержала описание более 2500 механизмов и их элементов, нашедших применение в машинах различных отраслей промышленности.
      Решения июльского Пленума ЦК КПСС поставили перед отечественным машиностроением новые грандиозные задачи, среди которых вопросы механизации и автоматизации процессов в промышленности занимают особое место. Это потребовало от авторов глубокого критического пересмотра содержания книги и включения во второе издание нового большого раздела, посвященного элементам и аппаратуре автоматических устройств.
      При создании сложных машин и особенно машин-автоматов, автоматических линий и заводов конструктору и технологу приходится проектировать отдельные исполнительные механизмы, механизмы управления, специальные устройства для контроля точности и отбраковки изделий и др. Широкое использование автоматического управления процессами требует от конструктора целесообразного выбора специальных механизмов для регулирования скорости, температуры, влажности, давления; количества, соотношения и других физических величин, определяющих ход процесса.
      В настоящем втором издании книги приведены характеристики около 3200 механизмов и их элементов, которые помогут конструкторам и изобретателям при решении сложных задач, поставленных практикой отечественного машиностроения.
      Для облегчения пользования книгой все описанные механизмы разделены по функциональным признакам и почти каждый раздел снабжен вводной статьей. Для большинства механизмов в книге приведены в окончательном виде расчетные формулы, которые можно использовать при проектировании.
      Замечания и пожелания просьба направлять в Издательство (Москва И-51, Петровка, 24) или в Днепропетровский ордена Трудового Красного Знамени металлургический институт имени И. В. Сталина.
      Авторы пользуются случаем выразить благодарность Н. С. Лызловой, оказавшей большую помощь при составлении рукописи второго издания этой весьма трудоемкой работы.
      Роль машины как средства производства различна в различных социально-экономических условиях. В капиталистическом обществе машина является средством эксплуатации рабочих. Капитализм стоит за новую технику лишь постольку, поскольку она сулит ему наибольшие прибыли. Машина в социалистическом обществе повышает производительность труда, облегчает труд рабочего, повышает его культуру, технический уровень и благосостояние.
      Понятие «машина» с развитием науки и техники непрерывно изменялось. При современном состоянии науки мы можем определить машину, как сочетание механизмов, осуществляющих целесообразные движения для преобразования энергии (машина-двигатель) или выполнения работы (рабочая машина).
      Всякая развитая машина состоит из двигательного, передаточного и исполнительного механизмов.
      Двигатели могут быть первичными, если они служат для преобразования в механическую работу энергии, получаемой от естественного источника (водяные, ветровые, тепловые двигатели), и вторичными, в которых движущая сила порождается источниками энергии, не встречающимися в природе в готовом виде (электрические, гидравлические, пневматические и пр. двигатели). Машины, преобразующие механическую работу двигателя в какой-либо вид энергии, называются преобразователями, или трансформаторами (генераторы электрического тока, компрессоры); рабочие машины, предназначенные для транспортирования грузов,— транспортирующими (краны, подъемники, транспортеры) .
      Основой рабочей машины является исполнительный механизм, который, получив движение от двигателя и передаточного механизма, воздействует своими орудиями на обрабатываемый материал для изменения его формы, свойств, состояния или положения. Рабочая машина, самостоятельно осуществляющая рабочие и вспомогательные операции, представляет собой автоматически действующую, самоуправляющуюся машину-авголшг. Такая машина нуждается лишь в контроле со стороны рабочего.
      Различие между рабочей машиной и автоматом состоит в том, что в автомате исполнительный механизм имеет механизмы рабочих н холостых ходов, включая распределительный механизм, управляющий в заданной последовательности всеми остальными механизмами машины.
      Машина, работающая с автоматическим рабочим циклом, повторение которого требует вмешательства рабочего, называется полуавтоматом. В полуавтомате все вспомогательные операции, связанные с наладкой машины, установкой изделия и инструмента, запуском машины и т. д., выполняются рабочим. Остановка полуавтомата осуществляется автоматически, после завершения цикла.
      В настоящее время широко внедряются в практику высокопроизводительные автоматические системы машин, автоматические линии, заводы-автоматы, в которых, наряду с механическими системами, используются на базе новейших достижений в области гидравлики, пневматики, электроники и фототехники автоматические устройства для контроля, управления и регулирования технологически х процессов.
      Методы расчета механизмов, применяемых для воспроизведения заданных движений, и методы расчета машин, в которых механизмы сообщают движения инструментам с целью определенной технологической трансформации материала, могут быть одинаковыми, поскольку механизм и машина отличаются не структурой, а применением.
      При проектировании различных машин, аппаратов и агрегатов выбор тех или иных конкретных механизмов производится на основе заданного технологического процесса.
      В любой машине движение от ведущего звена, связанного обычно с электродвигателем, или от распределительного вала машины передается исполнительным механизмам с помощью передаточных механизмов различной конструкции. Изменение угловой скорости ведущего звена осуществляется посредством механизмов, составленных из зубчатых колес, механических бесступенчатых редукторов, гидравлических механизмов, систем электрического бесступенчатого регулирования и др. В качестве передаточных механизмов широко применяются плоские и пространственные стержневые механизмы, различные зубчатые и фрикционные передачи, передачи гибкой связью, кулачковые механизмы, механизмы с остановкой и др.
      К новым передаточным механизмам следует отнести шариковый привод, в котором передача движения от одного толкателя к другому осуществляется через цепочку сферических шайб, заключенных в масляной среде в калиброванном трубопроводе, а также сильфонный привод, состоящий из двух гофрированных коробок, соединенных трубопроводом и заполненных маслом. Конструкция механизмов проста и обеспечивает передачу движения при любом пространственном расположении звеньев.
      Многозвенные механические передачи усложняют конструкцию машины, снижают точность перемещения ведомого звена, снижают производительность машины.
      В качестве приводов для механизмов автоматов, осуществляющих вспомогательные операции, а также для ряда механизмов, выполняющих технологические операции, для которых не требуется точного соблюдения закона движения, применяются пневматические устройства.
      В автоматах особенно эффективно используются гидравлические и пневмо-гидравлические передачи и агрегаты. В последних перемещение рабочего органа производится посредством сжатого воздуха, а стабильность движения по заданному закону обеспечивается гидравликой.
      В современных машинах весьма важную роль играет исполнительный механизм, состоящий из комплекса частных механизмов. Для обеспечения вспомогательных операций используют огромное количество целевых механизмов, к которым относятся: механизмы транспортирования материала (питатели, магазины, бункеры), механизмы зажима, поворотно-фиксирующие, реверсивные, предохранительные механизмы, системы управления и др.
      Существует огромное количество различных механизмов управления, начиная от простейших механизмов для перекидки ремня с холостого шкива на рабочий и кончая сложными системами управления, обеспечивающими необходимые перемещения исполнительных механизмов в строго определенной последовательности.
      Управление исполнительными механизмами осуществляется в соответствии с принятой циклограммой или с помощью командоаппаратов или механизмов путевого управления посредством путевых и концевых выключателей и различных реле.
      Запуск, остановка и автоматическое регулирование механических, электрических и пневматических аппаратов, а также автоматическое восстановление соотношения между отдельными агентами производятся при помощи регуляторов — позиционных, пропорциональных, астатических и др.
      В настоящее время получили всеобщее распространение механизмы для выполнения математических операций (суммирование, умножение, возведение в степень, построение тригонометрических функций, интегрирование дифференциальных уравнений): гармонические анализаторы, механизмы для вычерчивания кривых, пантографы, планиметры и др. и, наконец, большая группа механизмов для измерения механических величин — перемещений, скоростей, ускорений, сил, моментов, давлений и т. п.
     
      Раздел I
      НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ КИНЕМАТИКИ МЕХАНИЗМОВ
      ОПРЕДЕЛЕНИЯ
      Совокупность деталей, неподвижно соединенных между собой, называется звеном механизма.
      На фиг. 1 изображен шатун двигателя внутреннего сгорания, состоящий из тела шатуна, крышки, болтов, гаек и втулок. Все эти детали соединены между собой неподвижно и представляют одно звено механизма. На схемах механизма шатун изображается условно так, как это показано на фиг. 52,6.
      Кинематической парой называется подвижное соединение двух тел, взаимно ограничивающее их относительное движение.
      Каждое отдельно взятое звено плоского механизма может иметь три независимых движения: два поступательных движения вдоль осей х и у произвольно выбранной системы координат и вращение вокруг оси г, перпендикулярной к плоскости движения каждой из точек звена. В случае пространственного движения отдельно взятое звено может совершать шесть независимых перемещений: три поступательных движения вдоль произвольно взятых координатных осей х, у и z и вращения вокруг этих осей.
      Каждое из независимых движений тела называется степенью свободы.
      При образовании кинематической пары звенья теряют свободу перемещения и число степеней свободы звеньев уменьшается.
      Ограничения в относительном движении, вводимые при образовании из звеньев кинематической пары, называются условиями связи.
      В плоском механизме . кинематические пары вносят одно или два условия связи, в пространственном — от одного до пяти.
      На фиг. 2 показана плоская кинематическая пара, при образовании которой вносится одно условие связи (движение звена а вдоль нормали к поверхности становится невозможным), а на фиг. 3 и 4 — плоские кинематические пары, вносящие каждая по два условия связи. В первой остается лишь одно относительное поступательное движение вдоль оси х, а во второй — вращение.
      На фиг. 5—9 показаны пространственные кинематические пары, вносящие соответственно от одного до пяти условий связи.
      Совокупность подвижно соединенных тел образует кинематическую цепь— открытую (фиг. 10) или закрытую (фиг. 11). Механизм может быть получен из замкнутой кинематической цепи обращением одного из звеньев в стойку (неподвижно закрепленное звено; фиг. 12).
      Механизм, звенья которого образуют кинематические пары, обладает некоторым числом степеней свободы, которое для плоских механизмов может быть вычислено по формуле Чебышева где pi, ро, рз, р и ps—кинематические пары, вносящие соответственно от одного до пяти условий связи.
      Определенное по формулам (1) и (2) число степеней свободы механизма не всегда будет соответствовать действительному. В некоторых случаях может оказаться, что формально учтенные в формулах (1) и (2) условия связи оказываются пассивными, т. е. тождественными с другими, поэтому фактическое число степеней свободы W будет больше вычисленного по формуле.
      При определении числа кинематических пар следует иметь в виду, что в случае сложного шарнира число кинематических пар будет k—1, если k — число звеньев, сходящихся в шарнире (фиг. 13).
      Для получения определенности движения звеньев механизма необходимо задавать независимые движения звеньям механизма, число которых равно числу степеней свободы. При W=3 необходимо задать движение трем звеньям. Наоборот, если необходимо задать три независимых движения, то механизм должен обладать тремя степенями свободы. В технике используются преимущественно механизмы с одной степенью свободы.
      Звено механизма, которому задается независимое движение называется начальным.
      В большинстве случаев начальное звено движется относительно неподвижного, т. е. задается движение одного из звеньев механизма, связанного со стойкой. Однако во многих случаях применяются механизмы с таким относительным движением звеньев, в которых начальное звено вращается относительно подвижного звена. Например, для механизма вентилятора (фиг. 14) задается движение поводку 2 относительно коромысла 1, на котором закреплен электрический двигатель.
      Механизмом называется замкнутая кинематическая цепь, в которой при заданном в соответствии с числом степеней свободы движении одного или нескольких звеньев относительно соседних все остальные звенья имеют вполне определенные движения.
      Целью и назначением механизма является воспроизведение заданного движения для выполнения определенной операции. Так, например, распределительный механизм двигателя сообщает клапану определенные движения; редуктор изменяет число оборотов; кривошипно-шатунный механизм двигателя позволяет преобразовать поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала; кулисный механизм паровоза позволяет изменять отсечку пара и производить реверсирование и т. д.
      При проектировании механизма требуется определить траектории движения точек отдельных его звеньев, чтобы убедиться в том, что механизм действительно выполняет те движения, для которых он предназначен. Кроме этого, необходимо выяснить, не препятствуют ли этим движениям расположенные по соседству с механизмом какие-либо другие части. Так, при проектировании убирающегося шасси самолета необходимо убедиться в том, что движениям звеньев шасси не препятствуют элементы конструкции крыла, фюзеляжа, силовой установки и т. п. Построение траекторий отдельных точек необходимо также для отыскания хода ведомого звена или очертания картера, в который должен быть заключен механизм.
      Кинематический анализ механизма заключается в определении линейных скоростей и ускорений точек и угловых скоростей и угловых ускорений звеньев. Закон изменения этих величин часто нужно знать для составления характеристики работы. механизма, а в некоторых случаях — для дальнейших расчетов.
      Размеры деталей звеньев механизма из условий требований прочности можно определить, если известны силы, действующие на звенья. Силы, воспринимаемые звеньями, определяются по заданным внешним силам (например, по давлению газа на поршень, сопротивлению резанию) и силам инерции звеньев, зависящим от массы звена и ускорения центра тяжести его, Таким образом, для определения размеров механизма из условий прочности необходимо предварительно произвести кинематический анализ механизма. Вследствие того, что, не зная массы, нельзя определить силы инерции, задаются размерами деталей звеньев механизма, подсчитывают силы инерции, действующие на звенья, и проверяют прочность деталей под действием рабочих усилий и сил инерции.
      Если размеры выбраны неправильно, то производят перерасчет до получения удовлетворительных результатов. Правильно выбранные размеры должны обеспечивать механическую прочность деталей, долговечность механизма и предотвратить появление больших деформаций, нарушающих, а иногда делающих невозможной, правильную и надежную работу механизма.
      Время, путь, скорость и ускорение точки или тела взаимно связаны друг с другом. Определить их можно двумя способами: аналитически или графически. Часто пользуются графо-аналитическим способом, представляющим сочетание обоих способов.
      Преимущество аналитического способа заключается в точности получаемых путем вычислений результатов. В графическом способе точность результатов зависит от точности графических построений, которые невозможно выполнить без некоторой, хотя бы небольшой погрешности. Однако сложность аналитических уравнений движения и трудность их решения заставляют часто отказываться от аналитического способа и ограничиваться применением его лишь в простейших случаях.
      При решении практических задач наиболее часто пользуются графическим способом, отличающимся наглядностью и простотой и обеспечивающим вполне достаточную для практики точность. Аналитический способ применяют лишь для определения скоростей и ускорений в простейших, хорошо изученных механизмах.
      При проектировании новых машин возникает необходимость производить синтез механизмов, т. е. по заданным движениям подбирать механизм и его размеры. Задача эта сложна вследствие большого количества возможных вариантов механизмов и, кроме того, вследствие возникающих трудностей в определении рациональных параметров звеньев уже выбранного механизма. В соответствующих разделах будут вкратце описаны методы синтеза наиболее распространенных механизмов.
      KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ