Начала технических знаний: введение в основы устройства и работы машин и механизмов

В. Ф. Штыков








НАЧАЛА ТЕХНИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ

ВВЕДЕНИЕ В ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА И РАБОТЫ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ


















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.8
ББК 34.42
    Ш94

Рецензент: канд. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой электрооборудования судов Мурманского государственного технического университета Ремезовский Вячеслав Михайлович






    Штыков, В. Ф.
Ш94       Начала технических знаний. Введение в основы устройства и рабо-
     ты машин и механизмов / В. Ф. Штыков. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2023. - 192 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1344-2

          Содержит сведения о машинах, их типовых частях и предназначении. Показано устройство и принцип действия некоторых наиболее известных видов машин и технических систем. Рассмотрены фундаментальные физические явления, понятия, законы и принципы, которые учитываются при создании и эксплуатации машин и механизмов.
          Для широкого круга читателей, интересующихся техникой для начального знакомства с основами устройства и работы машин и механизмов. Может быть использовано в общеобразовательных и профессиональных учебных заведениях, в центрах детского технического творчества и профориентации.



УДК 621.8
ББК 34.42








ISBN 978-5-9729-1344-2

     © Штыков В. Ф., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

            ОГЛАВЛЕНИЕ



ПРЕДИСЛОВИЕ......................................................6
1.  ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕХАНИКИ. ПРОСТЕЙШИЕ «МАШИНЫ».........................................................8
1.1. Общие сведения о механическом движении.....................8
1.2. Скорость и ускорение.......................................9
1.3. Прямолинейное движение....................................10
1.4. Криволинейное движение....................................12
1.5. Вращательное движение тела................................13
1.6. Колебательное движение....................................16
1.7. Масса тела и её проявления при различных видах движения...20
1.8. Сила, момент силы.........................................22
1.9. Механическая работа.......................................28
1.10. Мощность.................................................29
1.11. Энергия..................................................30
1.12. Коэффициент полезного действия...........................36
1.13. Общие сведения о машинах. Простейшие «машины»............37
1.14. Рычаг....................................................41
1.15. Блок.....................................................42
1.16. Ворот....................................................46
1.17. Наклонная плоскость......................................46
1.18. Клин.....................................................47
1.19. Винт.....................................................48
Список источников информации, использованных в разделе 1.........50
2.  ПРИВОДЫ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ.................................52
2.1. Общие сведения о приводах машин и механизмов..............52
2.2. Ветряные приводы..........................................52
2.3. Водяные приводы...........................................55
2.4. Тепловые двигатели внешнего сгорания. Общие сведения......57
2.5. Паровая поршневая машина..................................57
2.6. Паровая турбина...........................................59
2.7. Двигатели внутреннего сгорания. Общие сведения............60
2.8. Общие сведения о поршневых ДВС............................61
2.9. Поршневые ДВС с воспламенением топливной смеси от системы зажигания.............................................62
2.10. Поршневые ДВС с воспламенением топливной смеси от сжатия (дизельные ДВС)..................................................65
2.11. Газотурбинные двигатели..................................68
2.12. Реактивные двигатели.....................................70
2.13. Общие сведения об электроприводе.........................73
2.14. Особенности электродвигателей............................74
2.15. Основы работы электродвигателей постоянного тока.........74
2.16. Сведения об устройстве и практическом применении современных электродвигателей постоянного тока.............................78

3

2.17. Основы работы электродвигателей переменного тока. Принцип действия асинхронного двигателя...........................82
2.18. Общие сведения об устройстве и практическом применении современных асинхронных двигателей................................87
2.19. Однофазный асинхронный электродвигатель....................90
2.20. Синхронный электродвигатель................................92
2.21. Универсальные коллекторные электродвигатели................95
2.22. Приводы, работающие на запасе энергии. Общие сведения о накопителях энергии............................................97
2.23. Примеры приводов, работающих на запасе механической энергии.99
2.24. Пневматические приводы....................................102
Список источников информации, использованных в разделе 2........106
3. ПЕРЕДАТОЧНО-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА МАШИН И МЕХАНИЗМОВ..............................................108
3.1. Назначение и виды передаточно-преобразовательных устройств.108
3.2. Фрикционные передачи.......................................110
3.3. Ременные передачи. Общие сведения..........................111
3.4. Плоскоременные передачи................................... 113
3.5. Клиноременные передачи.....................................114
3.6. Зубчатые передачи..........................................115
3.7. Реечная и червячная передачи...............................119
3.8. Цепные передачи............................................121
3.9. Гибкие валы................................................122
3.10. Общие сведения о гидравлических передачах.................124
3.11. Гидрообъемные передачи....................................124
3.12. Гидродинамические передаточные устройства. Гидромуфта.....126
3.13. Гидротрансформатор........................................128
3.14. Общие сведения об электромеханических передаточнопреобразовательных устройствах на основе электроприводов........130
3.15. Примеры применения электромеханических передаточнопреобразовательных устройств на основе электроприводов..........131
3.16. Достоинства и недостатки электромеханических передаточнопреобразовательных устройств на основе электроприводов..........133
3.17. Общие сведения о муфтах с электрическим управлением.......134
3.18. Индукционные муфты........................................134
3.19. Электромагнитные фрикционные муфты........................135
3.20. Электромагнитные ферропорошковые муфты....................137
3.21. Магнитогистерезисные муфты................................138
3.22. Магнитные герметизированные муфты.........................139
Список источников информации, использованных в разделе 3........141
4. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ......................142
4.1. Необходимость управления техническими объектами............142
4.2. Общие понятия о качестве управления........................142
4.3. Принципы управления техническими объектами.................143
4.4. Основные термины, понятия и определения автоматики.........144

4

4.5. Понятие о воздействиях и сигналах...........................145
4.6. Типовые подходы к построению систем автоматического управления.......................................................146
4.7. Структурные схемы систем автоматического управления.........150
4.8. Развитие систем автоматизации технологических процессов.....153
4.9. Роботизация технологических процессов.......................156
4.10. Общие сведения о базовых элементах систем автоматики.......163
4.11. Датчики. Общие сведения....................................165
4.12. Параметрические датчики активного сопротивления............166
4.13. Параметрические датчики реактивного сопротивления..........171
4.14. Генераторные датчики.......................................175
4.15. Задающие органы систем автоматики..........................180
4.16. Элементы сравнения.........................................182
4.17. Общие сведения об исполнительных устройствах автоматических систем...........................................................184
4.18. Электрические исполнительные устройства автоматических систем .... 184
4.19. Устройства управления исполнительными приводами............185
Список источников информации, использованных в разделе 4.........188

5

            ПРЕДИСЛОВИЕ



   Эту книгу автор посвящает сегодняшним и будущим поколениям молодежи нашей страны, ответственным за будущее могущество и процветание России, в том числе и моим внукам - Даниле, Матвею, Макару и Артёму.
   К сожалению, чрезмерный крен современной системы образования в сторону гуманитарных, социально-экономических и информационных образовательных программ заслонил для многих людей простую истину - все материальные предметы, устройства и сооружения, так необходимые для комфортного проживания человека на Земле, производятся, в конце концов, не гуманитариями, не юристами и не PR-специалистами с помощью их весьма искусственных и надуманных виртуальных «технологий», а технически образованными инженерами и рабочими с помощью разнообразных реальных машин и механизмов. Все остальное имеет вспомогательное значение, несмотря на кажущуюся необходимость и важность.
   Поэтому целью данной книги является привлечение как можно большего числа читателей к увлекательному миру техники, объективно существующему вокруг нас, и с которым каждый из нас вынужден взаимодействовать с самого раннего детства до глубокой старости. В связи с этим каждый человек рано или поздно сталкивается в своей жизни с необходимостью в той или иной степени знать основы устройства и работы многочисленных машин, механизмов и технических систем.
   С этой целью в данном издании сделана попытка системно, но в самой популярной и обзорной форме изложить общие сведения по следующим вопросам:
   - что такое машина и для чего она предназначена?
   - из каких общих типовых частей (звеньев, блоков) состоят машины?
   - каково устройство и принцип действия некоторых наиболее известных видов машин и технических систем?
   - какие фундаментальные физические явления, понятия, законы и принципы учитываются при создании и эксплуатации машин и механизмов?
   Данная книга не является классическим учебным пособием. Однако материал книги в некоторых пунктах содержит сведения, позволяющие получить достаточно глубокие и системные представления по указанным выше вопросам.
   Издание состоит из четырех частей. Материал первой части посвящен основным физическим понятиям, применяемым в механике, а также устройству простейших «машин» (механизмов). Материалы второй, третьей и четвертой частей объединены общим представлением о классической машине, типовая структурная схема которой включает в себя (см. раздел 1):
   -  привод (двигатель);
   -  передаточно-преобразовательное устройство;
   -  рабочий орган;
   -  систему контроля и управления.

6

   При составлении данного издания автор использовал информацию, полученную из собственного опыта, а также из учебной и технической литературы и из электронных информационных ресурсов, находящихся в свободном доступе.
   Издание может быть использовано в качестве дополнительного пособия:
   -  в общеобразовательных и профессиональных учебных заведениях;
   -  в центрах (кружках) детского технического творчества и профориентации;
   -  всеми интересующимися техникой людьми для начального знакомства с основами устройства и работы машин и механизмов.

7

            1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕХАНИКИ. ПРОСТЕЙШИЕ «МАШИНЫ»



1.1.  ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕХАНИЧЕСКОМ ДВИЖЕНИИ


   Механическим движением называют изменение положения тела относительно других тел (системы координат).
   Система координат - это система ориентиров, позволяющая определить положение движущегося тела. Система координат чаще всего представляется системой осевых линий. При этом могут быть следующие варианты:
   1     - для определения положения тела при его движении в пределах одной известной линии (например, движение поезда или трамвая на неразветв-ленном участке пути) система координат может быть одномерной, то есть иметь одну ось, проходящую через нулевую точку (см. рис. 1.1, а).

Рисунок 1.1. Системы координат

   В этом случае положение точки «А» можно определить по одной её координате Ха (например, так - «поезд находится на отметке «тридцатый километр» московского направления Октябрьской железной дороги», то есть Ха = 30 км).
   2     - для определения положения тела при его движении в пределах плоскости (например, движение автомобиля по поверхности земли или надводного корабля по поверхности воды) система координат должна быть двухмерной, то есть иметь две оси, пересекающиеся под прямым углом в нулевой точке (см. рис. 1.1, б).
   В этом случае положение тела (точка «А») определяется по двум его координатам Ха, Ya (например, так - «автомобиль находится в квадрате «Б» в точке с координатами - Ха = 50 км, Ya = 30 км»).
   3     - для определения положения тела при его движении в пространстве (например, движение воздушного шара в атмосфере или подводной лодки в подводном положении) система координат должна быть трёхмерной, то есть иметь три оси, пересекающиеся под прямым углом в нулевой точке (см. рис. 1.1, в).

8

   В этом случае положение тела (точка «А») определяется по трём его координатам Ха, Ya, Za (например, так - «воздушный шар находится в квадрате «Б» в точке с координатами - Ха = 50 км, Ya = 30 км, Za = 100 м»).
   Траекторией называют линию, которую при своём движении описывает тело. Эта линия, изображенная (нарисованная) в соответствующей системе координат, представляет собой путь тела при его движении из одной точки в другую, например, из точки «0» в точку «А», как показано, например, на рисунке 1.2).

Рисунок 1.2. Траектория тела при его прямолинейном и криволинейном движении в двухмерной системе координат (на плоскости)

   Если в соответствующей системе координат траектория движения тела представляет собой прямую линию, то такое движение называется прямолинейным движением. Если же траектория движения тела представляет собой кривую линию, то такое движение называется криволинейным движением (см. рис. 1.2).


1.2.    СКОРОСТЬ И УСКОРЕНИЕ

   При своем движении тело может переместиться из одной точки в другую за разное время. Это зависит от скорости его движения на участке траектории между начальной и конечной точкой (например, между точками «0» и «А» на рисунке 1.2).
   Скоростью тела называется величина, равная отношению пройденного отрезка пути AS = Skoh - SHₐ₄ к промежутку времени At Zkoh (нач, за который этот отрезок пути пройден:


V = NS/Nt .



(1.1)

   Мгновенной скоростью называют скорость тела в данной точке траектории или в данный момент времени (при этом AS и At в формуле (1.1) должны быть как можно меньше).
   Скорость измеряется в метрах в секунду (м/с). За единицу скорости принимается такая скорость, при которой тело проходит путь длиной один метр за

9

время равное одной секунде (иногда используются кратные величины, например, километр в час (км/ч) и другие).
   Тело может двигаться по своей траектории с постоянной (неизменной) скоростью, а может произвольно или определенным образом увеличивать или уменьшать скорость движения (разгоняться или затормаживаться), то есть двигаться с «ускорением».
   Ускорением «а» называется величина, равная разности конечной V2 и начальной V1 скоростей тела на данном отрезке пути, делённой на промежуток времени, за который этот отрезок пути пройден, то есть:

    a = (V₂-V₁) /At.                     (1.2)

   Ускорение измеряется в метрах, деленных на секунду в квадрате (м/с²). За единицу ускорения принимается такое ускорение, при котором за время, равное одной секунде скорость тела изменяется на один метр в секунду.

1.3.    ПРЯМОЛИНЕЙНОЕ ДВИЖЕНИЕ

   Если скорость не изменяется, то в соответствии с формулой (1.2) ускорение равно нулю. В этом случае движение называется равномерным (тело движется без разгона и без торможения).
   Если происходит увеличение скорости, то в соответствии с формулой (1.2) ускорение становится больше нуля (имеет положительный знак). Если ускорение остается положительным и неизменным на всей траектории движения, то такое движение называется равноускоренным. Тело при этом за равные промежутки времени увеличивает свою скорость на одинаковую величину (разгоняется с постоянной интенсивностью) на всех участках траектории своего движения.
   Если происходит уменьшение скорости, то в соответствии с формулой (1.2) ускорение становится меньше нуля (отрицательным). Если ускорение остается отрицательным и неизменным на всей траектории движения, то такое движение называется равнозамедленным. При этом тело затормаживается с постоянной интенсивностью на всех участках траектории своего движения. Графики зависимости скорости от времени при различных видах движения показаны на рисунке 1.3.
   Из анализа графиков, представленных на рисунке 1.3, можно сделать следующие выводы:
   -  на рисунке 1.3, а изображен график равномерного движения, которому соответствует ускорение, равное нулю (скорость тела остается неизменной);
   -  на рисунке 1.3, б изображен график равноускоренного движения, которому соответствует ускорение, неизменное по величине и положительное по знаку (скорость тела равномерно увеличивается);


10

   -  на рисунке 1.3, в изображен график равнозамедленного движения, которому соответствует ускорение, неизменное по величине и отрицательное по знаку (скорость тела равномерно уменьшается).


Рисунок 1.3. Графики зависимости скорости от времени при различных видах движения: а - равномерное движение; б - равноускоренное движение; в - равнозамедленное движение)

   Наглядным примером равнозамедленного и равноускоренного движения является движение тела, брошенного вертикально вверх (см. рис. 1.4).
   В первый момент времени (t = 0) после броска тело начинает движение вверх от нулевой высоты (точка «0» на рис. 1.4) с максимальной скоростью Vmax.


Рисунок 1.4. Графики движения тела, брошенного вертикально вверх

11

   Затем, под действием тяжести тела, его скорость начнёт уменьшаться с постоянным отрицательным ускорением g = -9,8 м/с², которое называется ускорением свободного падения. Это уменьшение скорости будет продолжаться до тех пор, пока при t = ti тело полностью не остановится («зависнет» при V = 0) при достижении им максимально возможной (для данных условий) высоты подьема hmax.
   После этого тело под действием собственной тяжести изменит направление своего движения на противоположное и начнет двигаться (падать) вниз к поверхности Земли (на рис. 1.4 скорость на этом участке траектории указана со знаком «минус»). При этом величина скорости будет расти с ускорением свободного падения g = -9,8 м/с², знак которого на этот раз будет совпадать со знаком скорости. Увеличение скорости будет продолжаться до тех пор, пока в момент времени t2 тело не достигнет максимального значения скорости -Vmax при одновременном достижении нулевого уровня высоты.
   Таким образом на отрезке времени Ati = ti - to тело будет двигаться равнозамедленно (под влиянием силы тяжести, действующей против направления движения), а на участке A = t2 - ti тело будет двигаться равноускоренно (под влиянием силы тяжести, действующей согласно с направлением движения).
   Необходимо обратить внимание на следующий факт - если бы не было сопротивления воздуха, то у тела, брошенного вертикально вверх, скорость в конце падения была бы равна начальной скорости. Это значит, например, что пуля, выпущенная из оружейного ствола вертикально вверх, вернется на землю почти с той же скоростью, с которой она вылетала из ствола и, следовательно, с тем же поражающим эффектом.

1.4.    КРИВОЛИНЕЙНОЕ ДВИЖЕНИЕ

   Как уже упоминалось в пункте 1.1 криволинейное движение - это движение, траектория которого представляет собой кривую линию. В практической жизни криволинейное движение встречается намного чаще, чем прямолинейное. Строго говоря, чисто прямолинейное движение может реально существовать только лишь как элемент криволинейного движения, зафиксированный на

ограниченном участке его траектории.

   Важным отличием криволинейного движения от прямолинейного является то, что при криволинейном движении скорость постоянно изменяется по направлению (см. рис. 1.5).

Рисунок 1.5. Изменение направления мгновенной скорости V при криволинейном движении

12

   Из рисунка 1.5 видно, что скорость тела при криволинейном движении постоянно изменяется (если даже не изменяется её величина, то изменяется её направление). А так как при любом изменении скорости возникает ускорение, то можно сделать следующий важный вывод - тело при криволинейном движении всегда движется с ускорением.
   Наличие ускорения при криволинейном движении тела легко ощутить на собственном теле по действию на него сил инерции (например, при повороте автобуса, в котором вы едете).

1.5.   ВРАЩАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ ТЕЛА. УГЛОВАЯ СКОРОСТЬ, ЧАСТОТА ВРАЩЕНИЯ


   С вращательным движением мы встречаемся не только при решении научно-технических задач, но и в повседневной жизни. На рисунке 1.6 приведены некоторые примеры вращательного движения [1.1], [1.5].


Рисунок 1.6. Примеры вращательного движения

   Вращательным движением тела называется такое его движение, при котором существуют хотя бы две его точки (например, А и В на рис. 1.7), которые в течение всего времени движения остаются неподвижными.
   При этом прямая линия, проходящая через неподвижные точки вращающегося тела, называется осью вращения (отрезок АВ на рис. 1.7).


Рисунок 1.7. Вращательное движение твердого тела

13