Мощность машин и её преобразование в механизмах

Человечество до сих пор ещё не научилось создавать энергию. Вся энергия, используемая даже самыми передовыми цивилизациями (США, Япония) добыта всего лишь примитивным грабежом у природы. В этом смысле современный человек не продвинулся качественно дальше дикаря с охапкой веток для костра.

Вся, так называемая "энергетика", а также все машины, механизмы, вся низкая и высокая технология − заняты всего лишь переработкой, преобразованием и, главное, тратой энергии, созданной природой (излучение солнца, ядерная энергия, ископаемые энергоносители, кинетическая энергия ветра и воды).

Ошибкой было бы думать, что какой-либо механизм в принципе способен производить, увеличивать или хотя бы сохранять энергию.

Поскольку люди и их машины существуют в режиме реального времени, то более практичной и наглядной величиной является мощность − производная от совершаемой работы по времени, которую можно фактически назвать "скоростью совершения работы" или "скоростью преобразования энергии". Мощность (исчисляемая в лошадиных силах или ваттах) является главнейшей характеристикой всех машин, от старинных паровых котлов до сложнейших мехатронных систем. В плане законов физики, законов сохранения, понятия мощности и энергии могут считаться практически синонимами. Когда теряется энергия, снижается и мощность.

Мощность, однако, не является параметром, её невозможно измерить непосредственно. В философии есть понятия "сущность" и "явление". Так вот, мощность это сущность процессов движения машин, а является она нам в виде силы и скорости, или в виде вращающего момента и угловой скорости. Эти параметры (сила F, момент M, скорость V или угловая скорость ) поддаются измерению, а соответственно может быть вычислена и мощность N.

В несложных формулах (математических моделях) мощности при поступательном движении и при вращательном движении видно, что сомножители могут изменяться в разные стороны, а произведение оставаться тем же. Так одна и та же мощность может быть реализована либо высокой скоростью и малой силой (высокоскоростные машины и механизмы), либо большой силой на малых скоростях (тихоходные высоконагруженные машины и механизмы).

Механическая мощность передаётся механизмами от двигателя (входного звена) к потребителю (выходному звену) и на этом пути может только убывать за счёт потерь на трениеглавным образом в кинематических парах, а также контакте деталей с окружающей средой (смазка, воздух и т.п.). Потери на трение в механизмах учитываются коэффициентом полезного действия (КПД), который показывает, сколько процентов составляет полезная мощность (полученная потребителем через выходное звено) от затраченной мощности (полученной входным звеном от двигателя). КПД фактически учитывает все потери на трение.

Так, мощность, доходящая до выходного звена и получаемая потребителем будет равна ,

где N_дв − мощность, развиваемая двигателем на входном звене;

− коэффициент полезного действия всего механизма.

В многоступенчатых механизмах с многозвенными кинематическими цепями с последовательным соединением (рис.20) общие потери учитываются произведением КПД всех ступеней кинематической цепи.

Рис.20. Механизм с последовательным соединением звеньев

Так, для многоступенчатого механизма мощность на i-м звене кинематической цепи , а мощность на выходном звене , где , , ,.... − соответственно КПД 1-й, 2-й, 3-й и т.д. всех ступеней механизма.

В многоступенчатых механизмах параллельной структуры (рис.21) конструктором назначается распределение мощностей

Рис.21. Распределение мощности при параллельном соединении механизмов

, , ... , ... ,

где долевые коэффициенты распределения мощности, которое подчиняются условию .

Учитывая, что N_вых= N_вых1+ N_вых2+ ... + N_выхi+ ... + N_выхn, КПД такой схемы вычислим как

В частном случае, если мощность от двигателя распределяется по механизмам поровну и их КПД равны, то , где n − число параллельно соединённых механизмов.

Скорости и угловые скорости звеньев в каждой кинематической паре жёстко регламентированы кинематикой механизма. Они вычисляются по формулам кинематики для каждого конкретного вида кинематической пары, как это делается в кинематическом анализе механизма.

Получив из кинематического анализа линейные и угловые скорости всех звеньев механизма, а также подсчитав мощности, передаваемые звеньями, нетрудно вычислить силы (поступательное движение) и вращающие моменты (вращательное движение) на всех звеньях механизма

; .

Зная эти свойства преобразования мощности, частоты вращения и вращающего момента в механизме, можно оценить распределение нагрузок по звеньям и тем самым получить предварительные исходные данные для расчёта на прочность деталей машины.

Вопросы для самопроверки

- Каковы место и роль машин в современном обществе ?

- По характеру рабочего процесса и назначению, к какому классу можно отнести такие машины, как компрессор, электродвигатель, пресс ?

- Какие учебные дисциплины непосредственно служат базой для курса "Детали машин и основы конструирования" ?

- Какие различие между механизмом и машиной?

- Что следует понимать под деталью машины? Какие детали называют общего назначения?

- Что такое деталь, узел, агрегат (блок), комплект, машина , комплекс?

- Какие основные требования предъявляют к машинам и их деталям?

- Что такое работоспособность, прочность, жесткость, износо-тепло-вибро-коррозионная устойчивость, стойкость к старению?

- В чём заключается разница между проектированием и конструированием?

- Какие правила и нормы регламентируются Единой Системой Конструкторской Документации ?

- Кем формулируется и составляется Техническое Задание ?

- Какие документы являются результатом конструирования ?

- Какие группы требований предъявляются к машинам ?

- Каковы основные требования к деталям и машинам ?

- Каковы основные критерии качества деталей и машин ?

- Что такое работоспособность и каковы её критерии ?

- Что такое надёжность и каковы её критерии ?

- Что является главнейшим критерием работоспособности и надёжности ?

- В чём заключается общее условие прочности деталей машин ?

- В чём разница между проектировочным и проверочным расчётами ?

- Что такое износ? Укажите пути уменьшения изнашивания трущихся де­талей?

- Что произойдет с деталью, если в процессе работы температура будет выше предельно допустимой?

- Приведите пример ухудшения работы машин при вибрации.

- Каковы основные группы деталей машин общего назначения ?

- Что изучает динамика машин?

- Какие силы действуют в механизмах и машинах?

- Какие виды трения существуют в механизмах и машинах?

- Какова роль смазочного материала при трении деталей?

- Как вычисляют силы трения при скольжении и качении?

- Для чего используют угол и конус трения?

- Как и почему происходит изнашивание деталей?

- Какие меры применяются для повышения износостойкости?

- Какие существуют виды изнашивания и при каких условиях?

- Какие стадии изнашивания наблюдаются в деталях машин?

- Как количественно оценивается интенсивность изнашивания?

- Как по виду поверхности распознать вид изнашивания?

- Какие машины относятся к установкам циклического действия?

- Что характеризует и как определяется продолжительность включения?

- Какие машины относятся к установкам непрерывного действия?

- Правильно ли учитывается коэффициент внешней динамики при определении мощности электродвигателя в машинах непрерывного действия? Если правильно, то чем это объясняется?

- Пути повышения качественных показателей работоспособности

- Что следует понимать под надежностью машин и их деталей? Какими свойствами характеризуется надежность?

- Что такое стандартизация и унификация в машиностроении?

- Как вычисляют коэффициенты повторяемости и применяемости?

- Какие показатели входят к эксплуатационным требованиям, производственным возможностям, экономическим факторам, механическим и технологическим свойствам?

- Какие из конструкций получаются более жесткими, работающими на сжатие, растяжение, изгиб или кручение? Дайте анализ каждому критерию.

- Почему расчеты по вероятности безотказной работы физически более логичны, чем расчеты по коэффициенту безопасности?

- Каковы стандартные физико-механические характеристики материалов наиболее важных для деталей, работающих на прочность, жесткость, износ, теплостойкость и вибростойкость? Каждому качественному критерию работоспособности ДМ дайте исчерпывающие ответы.

- Из каких элементов геометрических форм преимущественно составляются детали машин и почему?

- Составьте требование по конструированию, согласно технического задания вашему проекту.

- Какие машины относятся к установкам циклического действия?

- Что характеризует и как определяется продолжительность включения?

- Какие машины относятся к установкам непрерывного действия?

- В формуле для определения мощности электродвигателя механизма подъема крана в чем измеряется вес груза – G и скорость подъема груза - ?

- Почему в вышеприведенной формуле не учитывается коэффициент внешней динамики?

- Правильно ли учитывается коэффициент внешней динамики при определении мощности электродвигателя в машинах непрерывного действия? Если правильно, то чем это объясняется?

- Укажите детали машин общего назначения

1. Ротор

2. Поршень

3. Патрон токарного станка

4. Клапан

5. Детали общего назначения не пере­числены

- Из перечисленных деталей назовите детали, ко­торые относятся к группе детали-соединения

1. Муфты

2. Шпонки

3. Заклепки

4. Подшипники

5. Валы

- Перечислите основные критерии работоспособ­ности деталей общего назначения

1. Прочность

2. Жесткость

3. Долговечность

4. Теплостойкость

5. Виброустойчивость

- Как называется расчет, определяющий факти­ческие характеристики (параметры) детали

1. Проектировочный расчет

2. Проверочный расчет

- Определите табличным способом допускаемый коэффициент запаса прочности (материал дета­ли — высокопрочная сталь)

1) 1,5-2,2

2) 2,0-3,5

3) 1,5-1,7