Движущиеся части

Компоненты машины, способные перемещаться относительно других.

Модель движущихся частей двигателя.

Машины включают в себя как неподвижные, так и движущиеся части . Движущиеся части имеют контролируемые и ограниченные движения. ^{[1] [2]}

Движущиеся части — это компоненты машины, за исключением любых движущихся жидкостей, таких как топливо , охлаждающая жидкость или гидравлическая жидкость . ^{[ нужна ссылка ]} К движущимся частям также не относятся никакие механические замки , переключатели , гайки и болты , завинчивающиеся крышки для бутылок и т. д. Система без движущихся частей описывается как « твердотельная » ^{[ нужна ссылка ]} .

Механический КПД и износ

Количество движущихся частей в машине является фактором ее механической эффективности . Чем больше количество движущихся частей, тем больше энергии теряется на тепло из-за трения между этими частями. ^[3] Например, в современном автомобильном двигателе примерно 7% общей мощности , полученной при сжигании топлива двигателя, теряется из-за трения между движущимися частями двигателя. ^[4]

И наоборот, чем меньше количество движущихся частей, тем выше эффективность. Машины вообще без движущихся частей могут быть очень эффективными. Например, электрический трансформатор не имеет движущихся частей, а его механический КПД обычно превышает отметку 90 % . (Остальные потери мощности в трансформаторе происходят по другим причинам, включая потери электрического сопротивления в медных обмотках, потери на гистерезис и потери на вихревые токи в железном сердечнике.) ^[5]

Для преодоления потерь эффективности, вызванных трением между движущимися частями, используются два средства. Сначала смазываются движущиеся части . Во-вторых, движущиеся части машины сконструированы таким образом, что они мало соприкасаются друг с другом. Последнее, в свою очередь, включает в себя два подхода. Машину можно уменьшить в размерах, тем самым довольно просто уменьшив площади движущихся частей, трущихся друг о друга; а конструкции отдельных компонентов можно модифицировать, изменяя их форму и структуру, чтобы уменьшить или избежать контакта друг с другом. ^[4]

Смазка также снижает износ , как и использование подходящих материалов. Поскольку движущиеся части изнашиваются, это может повлиять на точность работы станка. Таким образом, конструкторы должны проектировать движущиеся части с учетом этого фактора, гарантируя, что, если точность на протяжении всего срока службы машины имеет первостепенное значение, износ будет учтен и, если возможно, сведен к минимуму. (Простым примером этого является конструкция простой одноколесной тачки . Конструкция, в которой ось прикреплена к рычагам тачки, а колесо вращается вокруг нее, склонна к износу, что быстро вызывает раскачивание, тогда как вращающаяся ось, которая прикреплена к колесу и которое вращается на подшипниках в рычагах, не начинает раскачиваться по мере износа оси через рычаги.) ^[6]

Научная и инженерная дисциплина, которая занимается смазкой, трением и износом движущихся частей, — это трибология — междисциплинарная область, охватывающая материаловедение , машиностроение , химию и механику . ^[7]

Отказ

Как уже упоминалось, износ является проблемой движущихся частей машины. ^[8] Другие проблемы, которые приводят к выходу из строя, включают коррозию , ^[8] эрозию , ^[8] термическое напряжение и выделение тепла, ^[8] вибрацию , ^[8] усталостную нагрузку, ^[8] и кавитацию .

Усталость связана с большими силами инерции и зависит от типа движения движущейся части. Движущаяся часть, имеющая равномерное вращательное движение, подвержена меньшей усталости, чем движущаяся часть, колеблющаяся вперед и назад. Вибрация приводит к отказу, когда частота вынужденной работы машины достигает резонансной частоты одной или нескольких движущихся частей, таких как вращающиеся валы. Конструкторы избегают этих проблем, вычисляя собственные частоты деталей во время разработки и изменяя детали, чтобы ограничить или устранить такой резонанс.

Еще одним фактором, который может привести к выходу из строя движущихся частей, являются неисправности систем охлаждения и смазки машины. ^[8]

Последний фактор, связанный с выходом из строя движущихся частей, — это кинетическая энергия. Внезапный высвобождение кинетической энергии движущихся частей машины вызывает отказы из-за перенапряжения, если движущейся части препятствует движению посторонний предмет. Например, рассмотрим камень , застрявший на лопастях вентилятора или пропеллера, или даже пресловутый « гаечный ключ в работе». ^[8] ( Дальнейшее обсуждение этого вопроса см. в разделе «Повреждение посторонним предметом ».)

Кинетическая энергия движущихся частей машины.

Кинетическая энергия машины представляет собой сумму кинетических энергий ее отдельных движущихся частей. Машину с движущимися частями математически можно рассматривать как связанную систему тел, кинетические энергии которых просто суммируются. Отдельные кинетические энергии определяются из кинетических энергий поступательных движений и вращений движущихся частей вокруг своих осей. ^[9]

Кинетическую энергию вращения движущихся частей можно определить, заметив, что каждую такую ​​систему движущихся частей можно свести к совокупности связанных тел, вращающихся вокруг мгновенной оси, образующих либо кольцо, либо часть идеального кольца, радиус , вращающийся со скоростью оборотов в секунду . Это идеальное кольцо известно как эквивалентный маховик , радиус которого равен радиусу вращения . Интеграл квадратов радиусов всех частей кольца по отношению к их массе , также выражаемый, если кольцо моделируется как совокупность дискретных частиц как сумма произведений этих масс и квадратов их радиусов, равен момент инерции кольца , обозначаемый . Кинетическая энергия вращения всей системы движущихся частей равна , где – угловая скорость движущихся частей относительно той же оси, что и момент инерции. ^{[9] [10]} ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle \int a^{2}dm}$ ${\displaystyle \sum _{k=0}^{n}m_{k}\times a_{k}^{2}}$ ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle {\frac {1}{2}}I\omega ^{2}}$ ${\displaystyle \omega }$

Кинетическая энергия перемещения движущихся частей равна , где – общая масса , – величина скорости . Это дает формулу для полной кинетической энергии движущихся частей машины как . ^{[9] [10]} ${\displaystyle {\frac {1}{2}}mv^{2}}$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle {\frac {1}{2}}I\omega ^{2}+{\frac {1}{2}}mv^{2}}$

На этой инженерной схеме (иллюстрирующей принцип кинематического проектирования, согласно которому использование неправильных типов/количества механических связей может привести к раскачиванию неподвижных частей ^[6] ) показано движение качающихся частей со сплошным контуром движущейся части в одном положении на одном конце. его движения и контур фантомной линии детали, находящейся в положении на другом конце.

Представление движущихся частей на инженерных схемах

На техническом чертеже движущиеся части обычно обозначаются путем нанесения сплошного контура детали в ее основном или исходном положении с добавленным контуром детали во вторичном, перемещенном положении, нарисованным пунктирной линией ( линия, содержащая « последовательности «точка-точка-тире» из двух коротких и одного длинного отрезка). ^{[11] [12] [13]} Эти соглашения закреплены в нескольких стандартах Американского национального института стандартов и Американского общества инженеров-механиков , включая ASME Y14.2M, опубликованный в 1979 году ^{. [14]}

В последние десятилетия использование анимации стало более практичным и распространенным в технических и инженерных схемах для иллюстрации движений движущихся частей. Анимация более четко представляет движущиеся части и позволяет легче визуализировать их и их движения. ^[15] Кроме того, средства компьютерного проектирования позволяют моделировать движения движущихся частей, позволяя разработчикам машин определять, например, будут ли движущиеся части в данной конструкции препятствовать движению друг друга или сталкиваться путем простого визуального осмотра ( анимационная) компьютерная модель, а не непосредственно разработчиком, выполняющим численный анализ. ^{[16] [17]}

Смотрите также

• Кинетическое искусство — скульптура, содержащая движущиеся части.
• Механизм (часовой механизм) — конкретное название движущихся частей часов.

Рекомендации

1. В. Б. Бхандари (2001). Введение в проектирование машин . Тата МакГроу-Хилл. п. 1. ISBN 9780070434493.
2. Томас Минчин Гудив (март 2007 г.). Элементы механизма (переиздание Read Books, 2007 г.). Лондон: Лонгман, Грин, Лонгман и Робертс. п. 1. ISBN 9781406700497.
3. Олден Дж. Балмер (2008). Doc Fizzix Mousetrap Racers: Полное руководство для строителя . Издательство Fox Chapel. п. 32. ISBN 9781565233591.
4. Стивен Т. Мёллер (2002). Энергоэффективность: проблемы и тенденции . Издательство Нова. п. 57. ИСБН 9781590332016.
5. Тревор Линсли (2008). Расширенные электромонтажные работы (5-е изд.). Ньюнес. стр. 216. ISBN. 9780750687522.
6. Эдгар Брайт Уилсон (1952). Введение в научные исследования . Дуврские книги, объясняющие науку (переиздание 1991 г.). Публикации Courier Dover. стр. 104–105, 108. ISBN. 9780486665450.
7. Уэйклин, Р.Дж. (1974). «Трибология: трение, смазка и износ движущихся частей». Ежегодный обзор материаловедения . 4 : 221–253. Бибкод : 1974AnRMS...4..221W. doi : 10.1146/annurev.ms.04.080174.001253.
8. М. Т. Тодинов (2007). Анализ надежности на основе рисков и общие принципы снижения рисков . Эльзевир. стр. 208–209. ISBN 9780080447285.
9. Рассел К. Хиббелер (2009). Инженерная механика: Динамика (12-е изд.). Прентис Холл. стр. 457–458. ISBN 9780136077916.
10. Джеймс Генри Коттерилл (1884). Прикладная механика. Элементарное общее введение в теорию конструкций и машин. С диаграммами, иллюстрациями и примерами (переиздание Adegi Graphics LLC). Лондон: Macmillan & Co., стр. 212–215. ISBN 9781421257013.
11. Джек Ло и Дэвид Прессман (2007). Как сделать патентные чертежи: помощник «Патент сам» (5-е изд.). Нет вот. стр. 226. ISBN. 9781413306538.
12. Дэвид А. Мэдсен (2001). Инженерный чертеж и дизайн . Серия чертежей Дельмара (3-е изд.). Cengage Обучение. п. 48. ИСБН 9780766816343.
13. Сесил Ховард Дженсен и Джей Д. Хелсель (1985). Основы инженерного черчения (2-е изд.). Подразделение Грегг, МакГроу-Хилл. стр. 28. ISBN 9780070325340.
14. Пол Х. Райт (2002). Введение в инженерию. Серия Wiley Desktop Editions (3-е изд.). Джон Уайли и сыновья. стр. 155–156, 171. ISBN. 9780471059202.
15. Дэвид Л. Гетч; Уильям Мел; Джон А. Нельсон (1999). Технический рисунок . Серия технической графики Delmar (4-е изд.). Cengage Обучение. стр. 452, 456. ISBN. 9780766805316.
16. Питер П. Комнинос (1989). «Компьютерная графика и анимация для дизайнеров интерьера и промышленности». В Джоне Лэнсдауне; Рэй А. Эрншоу (ред.). Компьютеры в искусстве, дизайне и анимации . Спрингер. стр. 216–217. ISBN 9780387968964.
17. Филип Стедман (1989). «Компьютерная помощь процессу проектирования». В Джоне Лэнсдауне; Рэй А. Эрншоу (ред.). Компьютеры в искусстве, дизайне и анимации . Спрингер. стр. 158. ISBN 9780387968964.

дальнейшее чтение

• «Соглашения о линиях и надписи». Нью-Йорк: Американский национальный институт стандартов . 1979. ANSI/ASME Y14.2M. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
• «Метод построения диаграмм управления жидкостью движущихся частей». Национальная ассоциация гидроэнергетики и Американский национальный институт стандартов . 1976. ANSI/NFPA T3.28.9-1976. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )