Механика материалов
Сопротивление материалов: деформации упругие и пластические; закон Гука,
Сопротивление материалов: испытание на растяжение и сжатие; диаграмма растяжения
Детали машин: общие сведения о передачах зубчатых, фрикционных, червячных
Детали машин: общие сведения о передачах ременных, цепных, о передаче винт–гайка;
Детали машин: общие сведения о соединениях шпоночных, в муфтах;
Классификация подшипников;
ПОДШИПНИК, конструктивный узел машин и механизмов, поддерживающий или направляющий вращающийся вал или ось. Если шейка вала в подшипнике скользит непосредственно по опорной поверхности, то он называется подшипником скольжения. Если же между шейкой вала и опорной поверхностью имеются шарики или ролики, то такой подшипник называется подшипником качения. Назначение подшипника – уменьшать трение между движущейся и неподвижной частями машины, так как с трением связаны потери энергии, нагрев и износ.
Подшипники скольжения. Подшипник скольжения представляет собой массивную металлическую опору с цилиндрическим отверстием, в которое вставляется втулка, или вкладыш, из антифрикционного материала. Шейка, или цапфа, вала с небольшим зазором входит в отверстие втулки подшипника. Для уменьшения трения и износа подшипник обычно смазывается, так что вал отделен от втулки пленкой вязкой маслянистой жидкости. Рабочие характеристики подшипника скольжения определяются его размерами (длиной и диаметром), а также вязкостью смазки и скоростью вращения вала.
Смазка. Для смазки подшипника скольжения можно использовать любую достаточно вязкую жидкость – масло, воду, бензин и керосин, водные и масляные эмульсии, а в некоторых случаях даже газы (например, нагретый воздух и продукты сгорания в реактивных двигателях) и жидкие металлы. Применяются также пластичные и твердые («консистентные») смазки, но их смазывающие свойства отличны от свойств жидкостей и газов. В тех случаях, когда естественной циркуляции смазки в подшипнике недостаточно для его охлаждения, предусматривают систему принудительной циркуляции с теплоизлучающими радиаторами и теплопоглотителями.
Гидростатические подшипники. Подшипник скольжения, в который смазка подается под давлением (обычно масляным насосом) из внешнего источника, называется гидростатическим подшипником. Несущая способность такого подшипника определяется в основном давлением подаваемой смазки и не зависит от окружной скорости вала.
Гидродинамические подшипники. Подшипник скольжения, работающий со смазкой, можно рассматривать как насос. Для того чтобы перемещать вязкую среду из области низкого давления в область высокого давления, необходимо затрачивать энергию внешнего источника. Смазка, прилипшая к контактным поверхностям, при вращении вала сопротивляется полному стиранию и выдавливается в область, где давление повышается, благодаря чему поддерживается зазор между этими поверхностями. Подшипник скольжения, в котором описанным образом создается область повышенного давления, удерживающая нагрузку, называется гидродинамическим.
Подшипники качения. В подшипнике качения трение скольжения заменяется трением качения, благодаря чему снижаются потери энергии на трение и уменьшается износ.
Шарикоподшипники. Наиболее распространенным подшипником качения является шарикоподшипник. Форму канавок (беговых дорожек) внутреннего и наружного колец подшипника качения необходимо очень точно контролировать при изготовлении, чтобы, с одной стороны, не было проскальзывания шариков относительно кольца, а с другой – они имели достаточно большую площадь опоры. Сепаратор задает точное положение шариков и предотвращает их взаимное трение. Кроме однорядных шариковых подшипников выпускаются подшипники с двумя и несколькими рядами шариков (двухрядные, многорядные), а также подшипники других конструкций.
Роликоподшипники. В роликовых подшипниках элементами качения являются ролики – цилиндрические, бочкообразные, конические, игольчатые или витые. Конструкции роликоподшипников тоже разнообразны.
Смазка. Срок службы подшипника качения определяется усталостным износом шариков (роликов) и беговых дорожек в кольцах.Такие подшипники тоже требуют смазки для уменьшения трения и износа. Важное значение имеет рабочая температура, так как при повышенных температурах не только сказывается неодинаковое тепловое расширение элементов подшипника, что ведет к увеличению проскальзывания, а следовательно и износа, но и уменьшается твердость материалов подшипника.
Подшипниковые материалы. Подшипники скольжения изготавливаются из различных металлов, сплавов, пластмасс, композитов и других материалов. Длительное время основным подшипниковым материалом был баббит, запатентованный А.Баббитом в 1839. Этот сплав на основе олова или свинца с небольшими добавками сурьмы, меди, никеля и др. допускает ряд вариантов состава, различающихся относительным содержанием компонентов. Сплавы баббита стали как бы эталоном для оценки других подшипниковых материалов, среди которых – сочетания материалов, хорошо зарекомендовавших себя по отдельности: баббит и сталь; баббит, сталь и бронза; свинец с индием; серебро и сталь; графит и бронза. Среди пластмассовых материалов для подшипников скольжения выделяются найлон и тефлон, не требующие смазки. В качестве материалов втулок подшипников скольжения применяются также углеграфиты, металлокерамики и композиты.
Методы расчета и проектирования узлов машин и механизмов.
Д. Материаловедение
Классификация межатомных сил связи.
Ван-дер-Ваальса связь возникает в результате индукционного взаимодействия атомов, в инертных газах. Ионная связь возникает в результате взаимодействия разноимённых зарядов (положительного и отрицательного), ненаправленная, ненасыщенная, локализованная. Ковалентная связь возникает обобщением нескольких электронов (по правилу 8-n, где n – число электронов), имеет высокую энергию, является направленной, насыщенной и локализованной. Металлическая связь возникает в результате обобществления всех электронов. Эта связь ненасыщенная, ненаправленная, не локализованная.
Периодическая таблица Д.И. Менделеева.
Фундаментальный закон природы имеет следующую формулировку:
«Свойства элементов и образуемых ими соединений находятся в периодической зависимости от зарядов ядер их атомов».
Основные закономерности, лежащие в основе построения периодической системы элементов Д. И. Менделеева
1. Заряд ядра атома, обозначается буквой «Z», является основной характеристикой, определяющей индивидуальность данного элемента.
2. Заряд ядра атома совпадает с порядковым номером элемента в системе Д. И. Менделеева.
3. Заряд ядра атома представляет собой суммарный заряд образующих его протонов и нейтронов и численно равен их количеству. Изменение числа протонов в ядре приводит к изменению химической природы элемента, причем и порядковый номер становится соответственно иным.
4. Изменение числа нейтронов в ядре изменяет его массу, но не приводит к изменению химических свойств, но радиоактивные свойства элементов при этом могут резко меняться.
5. Число электронов в электронейтральном атоме равно зарядовому числу элемента, т. е. величине «Z». Изменение числа электронов в атоме при данной величине «Z» не изменяет химической природы элемента, но изменяет зарядовое состояние атома.
6. Наличие в структуре атома определенного числа электронов само по себе не определяет совокупность химических и физических свойств элемента. Последние главным образом зависят от структуры электронной оболочки, от характера электронных конфигураций.
7. Номер периода, к которому относится данный элемент, определяется числом электронных слоев в оболочке атома этого элемента, за исключением элемента палладия. С возрастанием числа слоев связь наружных электронов с атомом у элементов главных подгрупп ослабевает, металлические свойства элемента возрастают.
8. Номер группы, к которой принадлежит данный элемент, как правило, определяется общим числом валентных электронов. При этом, к числу последних относятся электроны, наименее прочно связанные с ядром атома.
Строение поверхности материалов.
Фрикционные и антифрикционные материалы.
Антифрикционные материалы – материалы, используемые для работы в несущих или направляющих узлах трения (подшипниках скольжения, радиальных и торцовых уплотнениях).
Фрикционные материалы – материалы, предназначенные или используемые для работы в узлах трения, передающих или рассеивающих кинетическую энергию движущихся масс (в тормозах, муфтах, сцеплениях, демпферах, вариаторах и др.).
Механические свойства материалов.
Упругостью твердого тела называют его свойство самопроизвольно восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешней силы. Упругая деформация полностью исчезает после прекращения действия внешней силы, поэтому ее принято называть обратимой.
Пластичностью твердого тела называют его свойство изменять форму и размеры под действием внешних сил не разрушаясь, причем после прекращения действия силы тело не может самопроизвольно восстановись свои размеры и форму, и в теле остается некоторая остаточная деформация, называемая пластической деформацией.
Пластическую, или остаточную, деформацию, не исчезнувшую после снятия нагрузки, называют необратимой.
Основными характеристиками деформативных свойств строительного материала являются: относительная деформация, модуль упругости Юнга и коэффициент Пуассона.
Внешние силы, приложенные к телу, вызывают изменение межатомных расстояний, отчего происходит изменение размеров деформируемого тела на величину dl в направлении действия силы.
Относительная деформация равна отношению абсолютной деформации dl к первоначальному линейному размеру l тела.
Формула расчета: є = dl / l,
где є - относительная деформация.
Модуль упругости (модуль Юнга) связывает упругую деформацию є и одноосное напряжение s линейным соотношением, выражающим закон Гука.
Формула расчета: є = s / E ,
где E - модуль Юнга.
При одноосном растяжении (сжатии) напряжение определяется по формуле:
s = Р / F,
где Р - действующая сила; F - площадь первоначального поперечного сечения элемента.
Примеры строительных материалов по данному свойству:
Модуль упругости представляет собой меру жесткости материала. Материалы с высокой энергией межатомных связей (они плавятся при высокой температуре) характеризуются и большим модулем упругости.
Зависимость модуля упругости Е ряда материалов от температуры плавления ( tпл. ) смотри в таблице.
Модуль упругости Е связан с другими упругими характеристиками материала посредством коэффициента Пуассона. Одноосное растяжение (сжатие) sz вызовет деформацию по этой оси - єz и сжатие по боковым направлениям - єx и - єy, которые у изотропного материала равны между собой.
Коэффициент Пуассона, или коэффициент поперечного сжатия µ равен отношению:
µ = - єx / єz.
Примеры строительных материалов по данному свойству:
Коэффициент Пуассона бетона - 0,17 - 0,2, полиэтилена - 0,4.
Прочность - свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами (стесненная усадка, неравномерное нагревание и т. п.).
Прочность материала оценивают пределом прочности (временным сопротивлением) R, определенным при данном виде деформации.
Схема диаграмм деформаций.
Для хрупких материалов (природных каменных материалов, бетонов, строительных растворов, кирпича и др.) основной прочностной характеристикой является предел прочности при сжатии.
Предел прочности при осевом сжатии равен частному от деления разрушающей силы на первоначальную площадь поперечного сечения образца (куба, цилиндра, призмы).
Формула расчета: Rсж = Рразр / F,
где Rсж - предел прочности при осевом сжатии; Рразр - разрушающая сила; F - первоначальная площадь поперечного сечения образца.
Предел прочности при осевом растяжении Rр используется в качестве прочностной характеристики стали, бетона, волокнистых и других материалов.
В зависимости от соотношения Rр / Rсж можно условно разделить материалы на три группы:
1) материалы, у которых Rр > Rсж (волокнистые - древесина и др.) ;
2) Rр = Rсж (сталь);
3) Rр < Rсж (хрупкие материалы - природные камни, бетон, кирпич).
Размерность: (Мпа).
Твердостью называют свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела.
Твердость минералов оценивают шкалой Мооса, представленной десятью минералами, из которых каждый последующий своим острым концом царапает все предыдущие. Эта шкала включает минералы в порядке возрастающей твердости от 1 до 10.
1. Тальк, Mg3[Si4O10][OH]2 - легко царапается ногтем.
2. Гипс, CaSO4 • 2H2O - царапается ногтем.
3. Кальцит, CaCO3 - легко царапается стальным ножом.
4. Флюорит (плавиковый шпат), CaF - царапается стальным ножом под небольшим нажимом.
5. Апатит, Ca5 [PO4]3 F - царапается ножом под сильным нажимом.
6. Ортоклаз, К2О.Al2О3.6SiO2 - царапает стекло.
7. Кварц, SiO2; топаз, Al2 [SiO4] (F, OH)2; корунд, Al2 О3; алмаз, С - легко царапают стекло, применяются в качестве абразивных (истирающих и шлифующих) материалов.
Твердость древесины, маталлов, бетона и некоторых других строительных материалов определяют, вдавливая в них стальной шарик или твердый наконечник (в виде конуса или пирамиды). В результате испытания вычисляют число твердости
HB = P / F,
где F - площадь поверхности отпечатка.
От твердости материалов зависит их истираемость: чем выше твердость, тем меньше истираемость.
Истираемость оценивают потерей первоначальной массы образца материала, отнесенной к площади поверхности истирания F.
Формула расчета: И = ( m1 - m2 ) / F,
где m1 и m2 - масса образца до и после истирания.
Размерность: (г/кв.см).
Это свойство важно для эксплуатации дорог, полов, ступеней лестниц, и т. п.
Износом называют свойство материалов сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов.
Сопротивление удару - способность материала сопротивляться действию удара падающего груза. Для определения прочности материалов при ударе применяются специальные копры.
Шероховатость поверхности и средства её измерения.
|
