Использование физико-технических эффектов

При решении конструкторских задач часто и весьма эффективно используются различные физико-технические эффекты (табл. 1.3) [48]. Изменение носителей эффекта (например, резина, пружина для реализации упругости), сочетание различных эффектов в одном механизме открывают практически неограниченные возможности для конструирования.

Центробежные силы используются для разделения материалов различной плотности (например, СОЖ и масла в центрифуге), фильтрования масел в центробежных фильтрах, закрепления изделий в кулачках токарных автоматов, для изменения натяга в шпиндельных подшипниках качения в зависимости от частоты вращения и т.п. Центробежный эффект применяют для уплотнения (схема /, а) и для смазывания разбрызгиванием (схема 1, б).

Инерция может использоваться в делительных механизмах, когда в конце деления привод отключается (для уменьшения удара) и механизм вращается по инерции, для гашения колебаний и т.д. В приводе главного движения зубофрезерного станка установлен маховик 1 (схема 2, а), который повышает равномерность вращения червячной фрезы 2, компенсируя неблагоприятные условии резания, вызванные прерывистым процессом фрезерования.

На схеме 2, б инерция шпинделя 3 используется при аварийных ситуациях в качестве привода насоса 4, питающего карманы гидростатических опор шпинделя. В результате внезапного отключения энергии муфта 5 соединяет шпиндель с насосом и гидростатические опоры будут снабжаться маслом в течение всего времени выбега, предотвращая аварию.

Клин, рычаг, эксцентрик или их сочетания при конструировании применяются практически беспредельно. Для закрепления заготовок 1 и 3 используется клиновой зажим 2 (схема 2, а) или сочетание рычага 4 и эксцентрика 5 (схема 3, б).

Гидростатический эффект (гидростатические силы) находит применение в силовых механизмах для реализации больших усилий при малых размерах устройств. В схеме 4, а при подаче масла под давлением осуществляется прямое вращение ротора 1. В схеме 4,6 с помощью гидроцилиндра 2 производится компенсация веса шпиндельной бабки 3, что снижает силу привода подачи, уменьшает различие сил при движении шпиндельной бабки вверх и вниз и повышает точность.

Упругость используется в механизмах зажима для реализации малых перемещений, для предохранения от поломок шариковых винтовых пар при наезде на препятствие и в других случаях. Упругость резцедержавки, обусловленную ослабленным сечением, используют для тонкого регулирования положения резца 3 (схема 5, а). При вращении винта 1 происходит поворот образующегося «внутреннего» рычага в «шарнире» 2 (ослабленном сечении), вызывая микропе- ремешение вершины резца в соответствии с соотношением плеч А и В рычага. Упругость резиновых ковриков 4 (схема 5, б), на которые устанавливается станок, уменьшает его собственную частоту колебаний (до 5...25 Гц), что способствует отстранению от внешних источников колебаний, имеющих существенно большие частоты.

Силу тяжести применяют для смазывания механизмов, например из общего бака, для перемещения деталей. В схеме 6, а для уменьшения сил в приводе подачи (аналогично гидростатическому эффекту) используют противовес 1 весом G. В схеме 6, б сила тяжести используется для подачи заготовок 2 в распределительное устройство 3.

Теплопроводность материалов используют для улучшения отвода теплоты, для выравнивания температуры в различных частях конструкции и др. В конструкции шпиндельного узла с керамическим шпинделем 1 (схема 7, а) смещение конца шпинделя вдоль оси существенно меньше (почти в 7,5 раза), чем при стальном шпинделе, имеющем значительно большую теплопроводность (и почти на 75 % больший коэффициент температурного линейного расширения). В схеме 7, б для уменьшения деформации шпиндельной бабки 2 от подвода теплоты от коробки передач 3 и двигателя 4 главного движения ее изолируют от коробки с помощью прокладок 5 с низкой теплопроводностью.

Колебания применяют в конструкциях для подачи штучных заготовок, транспортировки стружки и др В схеме 8, а при создании режима работы сверла в условиях ультразвуковых продольных и крутильных колебаний (УЗК) существенно изменяются характеристики прочности и пластичности обрабатываемого материала, а следовательно, происходит улучшение условий резания и повышение производительности. В схеме 8, б для повышения точности микроперемещений Д узла 1 в нем в нормальном направлении возбуждают колебания определенной частоты, что изменяет характеристики трения. Известны и другие примеры использования колебаний. «Прослушивание» колебаний резонансной частоты позволяет, например, точно диаг ностировать «состояние» технической системы.

Адаптивное управление фрезерными станками основано на анализе колебаний шпиндельной бабки и сравнения их с допустимым уровнем. Объединение элементов с разными резонансными частотами может существенно улучшить динамические характеристики. Колебания используются для обнаружения трещин в металле, для измерения параметров объекта (массы, жесткости), для улучшения транспортирования изделий.

Использование физико-технических эффектов

Использование физико-технических эффектов

 

Трение находит исключительно широкое применение для реализации различных функций механизмов. Сюда относятся зажимные и демпфирующие устройства, механизмы перемещений и др.

В схеме 9, а трение между роликами 1 и 3 и штангой 2 обеспечивает ее перемещение. Подобная фрикционная передача часто используется для реализации сверхточных перемещений (долей микрометра). В схеме 9, б хомут 4 удерживается на штанге 5 также силами трения. Трение используют для сварки (сварка трением), в предохранительных устройствах (самоторможение), для транспортирования деталей и т.п.

Закономерности истечения лежат в основе создания различных регуляторов, например в гидро- и аэростатических опорах, демпфирования колебаний, «обезвешивания» узлов и т.п. Образование гидродинамической подъемной силы вращающегося вала 1 при затягивании масла в сужающийся зазор показано на схеме 10, а. Вследствие неразрывности слоя масла (закономерность истечения) в каждом сечении клинового зазора оно движется со своей скоростью (объем постоянен, а зазоры разные). Скорость движения масла в сечении обусловлена характером распределения давления р по зазору. Реализация малых перемещений в гидростатической опоре показана на схеме 10, б. Изменяя сопротивление дросселя 2 устройством 3, обеспечивают перемещение Д в пределах долей микрометра.

Тепловое расширение материалов применяют при разработке механизмов фиксации, для регулирования различных процессов, например с помощью биметаллической пластинки, и т.п. В схеме 11, а тепловое расширение стержня 1 служит источником микроперемещений узла 2. Управление процессом улучшается при принудительном охлаждении стержня 1. В схеме 11,6 тепловое расширение втулки 3, имеющей большой коэффициент температурного линейного расширения (например, выполненной из бронзы, эбонита), регулирует натяг в радиально-упорных подшипниках в зависимости от их нагревания. При увеличении температуры происходит изменение длины втулки 3 и уменьшение натяга.

Давление - разрежение применяют в механизмах зажима для реализации различных технологических процессов. В схеме 12, а давление жидкости (порядка 400 МПа), подводимой в сопло 1, используют для резки материала 2. Для повышения эффективности процесса жидкость на выходе из сопла захватывает частицы абразива, которые участвуют в резании. В схеме 12, б изделие 3 закрепляется вакуумными зажимами 4.

Электромагнитные явления широко используются в различных механизмах станков: от электродвигателей до тяговых устройств и зажимов. В схеме 13, а активных электромагнитных высокоскоростных шпиндельных опор, имеющих также хорошую несущую способность, вал 4 с пакетом электротехнического железа 1 удерживается в определенном положении с помощью магнитного поля, создаваемого электромагнитами 2 (обмотки показаны на двух магнитах), расположенными на статоре. Положение вала определяется с помощью специальных датчиков 3. При отклонении вала от заданного положения система управления по сигналу датчиков увеличивает силу тока в соответствующем электромагните, и вал возвращается в исходное положение.

Электромагнитная зубчатая муфта, с помощью которой происходит соединение зубчатого колеса 5 с валом 9, показана на схеме 13, б. При включении муфты происходит перемещение якоря б вдоль оси и взаимодействие зубьев 7 и 8 зубчатой муфты.

Ферромагнитные частицы, передвигаясь под действием магнитного поля, способны полировать поверхность (очищать от окалины и загрязнителей). Введение ферромагнитных частиц внутрь детали позволяет управлять деформациями, повысить ее прочность (изготовление литейных форм) и др.

В схеме 14, а ферромагнитные частицы, заполняющие объем между подвижными 1 и неподвижными 2 дисками порошкового тормоза, позволяют изменять момент в зависимости от подводимого напряжения. Ферромагнитные частицы (Fe2О3), введенные в жидкость, образуют магнитную жидкость, которую можно использовать для повышения демпфирования (вязкость изменяется в зависимости от магнитного поля), герметизации зазоров и т.п.

Магнитопорошковые материалы с магнитной фазой на базе оксидов железа и смазывающей компонентой на основе дисульфида молибдена (магнитная псевдожидкость) могут использоваться для герметизации гидроцилиндров (схема 14, б). Магнитоактивный герметизатор 3 удерживается между валом 4 и полюсным наконечником 5 кольцеобразным постоянным магнитом б.

Магнитные жидкости, в которые добавляются абразивные частицы, способны обрабатывать поверхности, их можно использовать для зажима деталей (при пропускании тока жидкость твердеет).

Магнитострикция, пьезоэффект. При изменении магнитною поля (магни- тострикция) или напряжения (пьезоэффект) происходит изменение размеров. В схеме 15, а магнитострикционный эффект реализован в приводе микроперемещений (на величину Д) узла 1. В схеме 15, б пьезоэффект применен для улучшения эксплуатационных характеристик опоры скольжения в период пуска. Втулка 2 подшипника выполнена из пьезоматериала, изменение напряжения в которой вызывает ультразвуковые колебания слоев, устраняющие трение покоя. Пьезоэффект используется также для изменения силы, давления, в вибраторах и в других случаях.

Закон Гука, согласно которому деформации в материале пропорциональны напряжению, реализуется, например, при микроперемещениях. В схеме 16, а для перемещения на величину Д применен эффект поперечного сжатия силой F. В схеме 16, б перемещение узла 1 может осуществляться импульсами на достаточно большую длину. Для этого включают левый тормоз Л, подают давление в гидроцилиндр 2 и после деформации стержня 3 включают правый тормоз П и отпускают левый (осуществляют перехват). Для дальнейшего перемещения узла 1 цикл работы повторяется.

Тензометрия, удар. Тензометрические устройства, основанные на принципе изменения сопротивления при деформации чувствительного элемента, наклеенного на конструкцию, применяют для контроля деформации, силы и в других случаях.

В схеме 17, а тензометрические механизмы служат для адаптивного управления режимами резания круглошлифовального станка. Тензодатчик 1 наклеен на центрах 2 станка, поддерживающих заготовку (второй центр не показан). Измеряя с помощью тензодатчиков нормальную силу шлифования и поддерживая ее на определенном уровне, повышают качество обработки. Идея использования удара для гашения колебаний представлена на схеме 17, б. Основу гасителя составляет тело массой т, соударяющееся с элементом 1 демпфируемой системы, колебание которого требуется уменьшить.

Фазовые и псевдофазовые превращения. В схеме 18, а зажимного приспособления (например, для корнусных деталей) на основе сред с псевдофазовыми превращениями в контейнер 2, наполненный шариками (макрочастицами), через пористое основание 1 с определенной скоростью поступает воздух. При подаче воздуха макрочастицы ведут себя как жидкотекучая среда, что позволяет легко установить деталь 3 на глубину Н. После прекращения подачи воздуха макрочастицы образуют твердую массу, удерживающую деталь. В схеме 18, б применен сухой лед 1 в замкнутом объеме, повышающий давление на величину Ар при испарении. Увеличение объема происходит при застывании висмута, что также может быть использовано для создания неразъемного соединения. При- мораживание используется для закрепления деталей.

Лазер широко применяют для резки материалов, закаливания поверхностей, проведения высокоточных измерений. На схеме 19 показано измерение деформации на величину Д ползуна 1 продольно-обрабатывающего станка от силы резания с последующей ее компенсацией. Лазер 2 посылает в измерительное устройство 3 луч, параллельный оси ползуна. Измерительное устройство (показано внизу) состоит из цилиндрического зеркала 4, от которого отражается проходящий луч, попадающий на фотодиоды 5, которые определяют смещение ползуна. Сигнал используется в дальнейшем для управления частотой вращения, насосов, питающих карманы гидростатических опор ползуна, благодаря чему толщина масляной пленки в опорах зависит от величины деформации и происходит ее компенсация.

Капилляр, струна. Способность впитывать жидкость - одно из основных свойств капиллярно-пористых материалов (схема 20, а). Если жидкость смачивает стенки капилляра, то она поднимается на высоту Н, которая зависит от размера капилляра, поверхностного натяжения и плотности жидкости. Это свойство может быть использовано для смазывания (фитильная смазка, пористый подшипник). Кроме того, пористый материал может служить в качестве звукопоглощающей облицовки, для температурной изоляции и т.п.

Эффект струны (схема 20, б) можно использовать для замера точности перемещений узлов в вертикальной плоскости. Узел 1 перемещается по направляющим и измеряется расстояние l1 и l2 и т.д. до струны 2. По подобному принципу работает электронный уровень, при перекосе корпуса которого изменяется расстояние между подвешенным на струне шариком и датчиками положения.

Эффект «память формы» - это восстановление исходной формы после деформирования (обратимость больших неупругих деформаций). Носителями этого эффекта могут Сыть сплавы TiNi, Cu-Al-Ti, сталь 12Х18Н10Т. Материал может находиться в двух устойчивых состояниях: в исходной и мартенситной фазах. При температуре выше темпеhатуры начала обратного мартенситного превращения происходит деформация материала. На рис. 1.7 показаны примеры возможного использования этого эффекта: на рис. 1.7, а - положение заклепки в исходном положении I и при нагреве до температуры, при которой происходит деформация (положение II), а на рис. 1.7, б - несварного соединения деталей в исходном положении /, когда между деталями имеется зазор Д, который ликвидируется и переходит в натяг после нагрева деталей (положение II).

Избирательный перенос при трении - это перенос меди в парах трения на сталь и обратный ее перенос со стали на медный сплав при определенных сочетаниях температуры, давления и скорости скольжения. Процесс сопровождается снижением коэффициента трения и резким повышением износостойкости. Например, для пары сталь ЗОХТСА - бронза БГАЖМц 10-3-1,5 интенсивность изнашивания (износ, отнесенный к пути трения) составляет 0,9∙ 10-8.

Внутреннее трение. Для твердых тел — это свойство превращать в теплоту механическую энергию в процессе их деформирования. Используется для снижения уровня вибраций. Для масла мерой внутреннего трения является вязкость.

Ультразвуковое диспергирование - тонкое размельчение (размер частиц до 1 мкм) твердых веществ под действием УЗК, применяемое в химической промышленности, а также для размельчения частиц в смазочных материалах.

Дельта Е-эффект - изменение модуля упругости ферромагнитных веществ в зависимости от их намагниченности.

Следует отметить, что существует целый ряд эффектов, используемых при конструировании, таких как влияние колебаний на коэффициент трения, гидравлический удар, гироскопический эффект, колебания при ударе, реактивная сила, эффекты Паскаля и Архимеда, свободная и вынужденная конвекции и др.

Использование физико-технических эффектов

Смотрите также