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机械应用基础 机械的基本组成要素 1 在一台现代化的机器中 常会包含着机械 电气 液压 气动 润滑 冷却 信号 控制 监测等系统的部分或全部 但是机器的主体 仍然是它的机械系统 无论分解哪一台机器 它的机械系统总是由一些机构组成 每个机构又是由许多零件组成 所以 机器的基本组成要素就是零件 2 以汽车为例 发动机 汽油机或柴油机 是汽车的原动机 离合器 变速箱 传动轴和差速器组成传动部分 车轮 悬挂系统及底盘 包括车身 是执行部分 转向盘和转向系统 排挡杆 刹车及其踏板 离合器踏板及油门组成控制系统 油量表 速度表 里程表 润滑油温度表及蓄电瓶电流表 电压表等组成显示系统 后视镜 车门锁 刮雨器等为其它辅助装置 前后灯及仪表盘灯组成照明系统 转向信号灯及车尾红灯组成信号系统等 摩擦 磨损及润滑概述 1 当在正压力作用下相互接触的两个物体受切向外力的影响而发生相对滑动 或有相对滑动的趋势时 在接触表面上就会产生抵抗滑动的阻力 这一自然现象叫做摩擦 这时所产生的阴力叫做摩擦力 摩擦是一种不可逆过程 其结果必须有能量损耗和摩擦表面物质的丧失或迁移 即磨损 人们为了控制摩擦 磨损 提高机器效率 减小能量损失 降低材料消耗 保证机器工作的可靠性 已经找到了一个有效的手段 润滑 润滑剂 添加剂和润滑方法 1 在摩擦面间加入润滑剂不仅可以降低摩擦 减轻磨损 保护零件不遭锈蚀 而且在采用循环润滑时还能起到散热降温的作用 由于液体的不可压缩性 润滑油膜还具有缓冲 吸振的能力 使用膏状的润滑脂 既可防止内部的润滑剂外泄 又可阻止外部杂质侵人 避免加剧零件的磨损 起到密封作用 2 润滑剂可分为气体 液体 半固体和固体四种基本类型 在液体润滑剂中应用最广泛的是润滑油 包括矿物油 动植物油 合成油和各种乳剂 半固体润滑剂主要是指各种润滑脂 它是润滑油和稠化剂的稳定混合物 固体润滑剂是任何可以形成固体膜以减少摩擦阻力的物质 如石墨 二硫化铝 聚四氟乙烯等 任何气体都可作为气体润滑剂 其中用得最多的是空气 它主要用在气体轴承中 润滑方法 1 油润滑向摩擦表面施加润滑油的方法可分间歇式和连续式两种 手工用油壶或油枪向注油杯内注油 只能做到间歇润滑 图4一11为压配式注油杯 图4一12为旋套式注油杯 这些只可用于小型 低速或间歇运动的轴承 对于重要的轴承 必须采用连续供油的方法 2 滴油润滑图4一13及图4一14所示的针阀油杯和油芯油杯都可做到连续滴油润滑 针阀油杯可调节滴油速度来改变供油量 并且停车时可扳倒油杯上端的手柄以关闭针阀而停止供油 油芯油杯在停车时则仍继续滴油 引起无用的消耗 3 脂润滑脂润滑只能间歇供应润滑脂 旋盖式油脂杯 图4一16 是应用得最广的脂润滑装置 杯中装满润滑脂后 旋动上盖即可将润滑脂挤人轴承中 有的也使用油枪向轴承补充润滑脂 加润滑油视频1 加润滑油视频2 加润滑油视频3 螺纹连接 键连接 焊接等常用连接方式 螺纹联接和螺旋传动都是利用螺纹零件工作的 但两者的工作性质不同 在技术要求上也有差别 前者作为紧固件用 要求保证联接强度 有时还要求紧密性 后者则作为传动件用 要求保证螺旋副的传动精度 效率和磨损寿命等 本章将分别讨论螺纹联接的类型 结构等问题 螺纹联接的基本类型 1 螺栓联接 2 双头螺柱联接 3 螺钉联接 4 紧定螺钉联接 螺钉除作为联接和紧定用外 还可用于调整零件位置 如机器 仪器的调节螺钉等 除上述四种基本螺纹联接型式外 还有一些特殊结构的联接 例如专门用于将机座或机架固定在地基上的地脚螺栓联接 图5一5 装在机器或大型零 部件的顶盖或外壳上便于起吊用的吊环螺钉联接 图5一6 用于工装设备中的T型槽螺栓联接 图5一7 等 螺纹联接的预紧 1 在实用上 绝大多数螺纹联接在装配时都必须拧紧 使联接在承受工作载荷之前 预先受到力的作用 这个预加作用力称为预紧力 预紧的目的在于增强联接的可靠性和紧密性 以防止受载后被联接件间出现缝隙或发生相对滑移 2 经验证明 适当选用较大的预紧力对螺纹联接的可靠性以及联接件的疲劳强度都是有利的 3 但过大的预紧力会导致整个联接的结构尺寸增大 也会使联接件在装配或偶然过载时被拉断 因此 为了保证联接所需要的预紧力 又不使螺纹联接件过载 对重要的螺纹联接 在装配时要控制预紧力 螺纹联接的防松 螺纹联接一旦出现松脱 轻者会影响机器的正常运转 重者会造成严重事故 因此 为了防止联接松脱 保证联接安全可靠 设计时必须采取有效的防松措施 还有一些特殊的防松方法 例如在旋合螺纹间涂以液体胶粘刘或在螺母末端镶嵌尼龙环等 此外 还可以采用铆冲方法防松 螺母拧紧后把螺栓末端伸出部分铆死 或利用冲头在螺栓末端与螺母的旋合缝处打冲 利用冲点防松 这种防松方法可靠 但拆卸后联接件不能重复使用 键和销联接 1 键是一种标准零件 通常用来实现轴与轮毂之间的周向固定以传递转矩 有的还能实现轴上零件的轴向固定或轴向滑动的导向 键联接的主要类型有 平键联接 半圆键联接 楔键联接和切向键联接 键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面 销联接 销主要用来固定零件之间的相对位置 称为定位销 图6一18 它是组合加工和装配时的重要辅助零件 也可用于联接 称为联接销 图6一19 铆接 焊接 和过盈联接 1 铆接是一种早就使用的简单的机械联接 其典型结构如图7一1所示 它们主要是由联接件铆钉1和被联接件板2 3所组成 有的还有辅助联接件盖板4 这些基本元件在构造物上所形成的联接部分统称为铆接缝 简称铆缝 铆钉视频 电焊 1 焊接的方法很多 机械制造业中常用的是属于熔融焊的电焊 气焊与电渣焊 其中尤以电焊应用最广 电焊又分为电阻焊与电弧焊两种 2 电弧焊的基本工作原理是我们通过常用的220V电压或者380V的工业用电通过电焊机里的减压器降低了电压 增强了电流 利用电能产生的巨大热量融化钢铁 焊条的融入使钢铁之间的融合性更高 还有 电焊条的外层的药皮起了非常大的保护作用 3 电弧焊是利用电焊机的低压电流 通过电焊条 为一个电极 与被焊件 为另一个电极 间形成的电路 在两极间引起电弧来熔融被焊接部分的金属和焊条 使熔融的金属混合并填充接缝而形成的 图7一5 电弧焊视频 4 过盈联接是利用零件间的配合过盈来达到联接目的的 这种联接也叫干涉配合联接或紧配合联接 过盈联接主要用于轴与毂的联接 轮圈与轮芯的联接以及滚动轴承与轴或座孔的联接等 这种联接的特点是结构简单 对中性好 承载能力大 承受冲击性能好 对轴削弱少 但配合面加工精度要求高 装拆不便 带传动和链传动 带传动是利用张紧在带轮上的传动带与带轮的摩擦或啮合来传递运动和动力的 链传动属于具有中间挠性元件的啮合传动 链传动与摩擦带传动相比 链传动的传动比准确 传动效率稍高 能在恶劣环境下工作 带传动类型 特点和应用 1 带传动的类型带传动是由主动带轮 从动带轮和传动带所组成 分为摩擦带传动和啮合带传动两大类 按带横截面的形状 带传动可分为平带传动 V带传动 圆带传动和同步带传动等 其中平带传动 V带传动 圆带传动为摩擦带传动 同步带传动为啮合带传动 平带传动 通常使用的平带是橡胶帆布带 另外还有皮革带 棉布带等 平带的接头一般应用图示的几种方法 经胶合和缝合的接头 传动时冲击小 传动速度可以高一些 铰链带扣的接头传递的功率较大 但速度不能太高 否则会引起强烈的冲击和振动 V带传动 1 普通V带 1 V带的结构普通V带是无接头的环形带 截面形状为等腰梯形 两侧面为工作面 夹角 V带分为帘布结构和线绳结构两种 V带由顶胶层1 抗拉层2 底胶层3和包布层4组成 顶胶层和底胶层均为橡胶 包布层由几层橡胶布组成 是带的保护层 帘布结构抗拉强度高 制造方便 一般场合采用帘布结构 而线绳结构比较柔软 适用于转速较高 带轮直径较小场合 V带带轮结构 2 V带传动的安装和维护 1 选用的V带型号和长度不要搞错 以保证V带截面在轮槽中的正确位置 V带的外边缘应与带轮的轮缘取齐 新安装时可略高于轮缘 图a 使V带与轮槽的工作面充分接触 如果V带的外边缘高出轮缘太多 图b 则接触面积减小 会使传动能力降低 如果V带陷入轮缘太深 图c 则会使V带的底面与轮槽的底面接触 从而使V带的两工作侧面接触不良 V带与带轮之间的摩擦力丧失 2 安装带轮时 两带轮轴轴线应相互平行 主动轮和从动轮槽必须调整在同一平面内 3 V带的张紧程度调整适当 一般可根据经验来调整 如在中等中心距的情况下 V带的张紧程度 以大拇指能按下15mm左右为合适 4 套装带时不得强行撬入 应先将中心距缩小 将带套在带轮轮槽上后 再慢慢调大中心距 使带张紧 5 对V带传动应定期检查有无松弛和断裂现象 以便及时张紧和更换V带 更换时必须使一组V带中的各根带的实际长度尽量相等 以使各根V带传动时受力均匀 所以要求成组更换 6 V带传动装置必须装安全防护罩 以防止绞伤人 也可防止油 酸 碱和其他杂物飞溅到V带上而对V带腐蚀和影响传动 另外使用防护罩还可防止V带在露天作业下的曝晒和灰尘 避免过早老化 7 带传动主要失效形式 靠摩擦工作的带传动 当传递的载荷超过带与带轮之间的最大摩擦力时 带传动将出现打滑 这是带传动的主要失效形式之一 另外因为带在传动中 带承受的是变应力 当应力超过极限值时 传动带的局部将出现帘布 或线绳 与橡胶脱离现象 即脱离 以至断裂 丧失传动能力 这种现象称疲劳损坏 它将引起带传动失效 严重的疲劳损坏可导致胶带断裂 带传动的张紧装置 带传动的张紧装置可采用调整中心距和使用张紧轮两种方法 1 调整中心距一般利用调整螺钉来调整中心距 在水平传动 或接近水平 时 电动机装在滑槽上 利用调整螺钉调整中心距 图a 图b所示为垂直传动 电动机可装在托架座上 利用调整螺钉来调整中心距 也可利用电动机自身的重量下垂 以达到自动张紧的目的 图c 这种方法多用在小功率的传动中 2 使用张紧轮当中心距不能调整时可采用张紧轮装置 同步带传动 同步带的工作面有齿 如图所示 带轮的轮缘表面有相应的齿 带与带轮依靠啮合进行传动 因为是啮合传动 带与带轮间没有相对滑动 故称同步带传动 链传动 链传动由主动链轮1 从动链轮3和传动链2组成 链传动靠链条与链轮轮齿的啮合来传递平行轴间的运动和动力 带传动视频链传动视频管链输送机视频 齿轮传动和蜗杆传动 齿轮传动是依靠主动轮的轮齿与从动轮的轮齿啮合来传递运动和动力的 是现代机械中应用最广泛的机械传动形式之一 蜗杆传动用来传递交错轴之间的运动和动力 常用作减速传动 蜗杆传动视频 轴系零件 轴是机械中的重要零件 其功用是支承转动零件及传递运动和动力 而将轴和轴上零件进行周向固定并传递转矩的零件是键 轴承是支承轴及轴上零件 保持轴的旋转精度和减少轴与支承间的摩擦和磨损 联轴器和离合器是联接不同机构中的两根轴 使它们一起回转并传递转矩 1轴2轴承3联轴器 离合器和制动器 轴的分类和应用特点 1 轴的类型 1 根据轴的功用和承载情况分类 心轴承受弯矩 不传递转矩的轴 如自行车前轮轴 图1 心轴有固定心轴和转动心轴 传动轴以传递转矩为主 不承受弯矩或承受很小的弯矩的轴 如汽车变速箱与后桥之间的传动轴 图2 转轴既传递转矩 又承受弯矩的轴 如齿轮减速器的输出轴 图3 图1自行车前轮轴 图2汽车变速箱与后桥之间的传动轴 图3齿轮减速器的输出轴 2 根据轴心线形状分类 直轴用于一般机械中 按外形又可分为光轴和阶梯轴 图4 曲轴往复式机械中的专用零件 可将旋转运动转换为往复直线运动或作相反的运动转换 图5 挠性轴也叫软轴 可将回转运动和动力灵活地传送到不同的位置 如图6 图4光轴和阶梯轴 图5曲轴 图6挠性轴 轴承 1 轴承是支承机器转动或摆动零 部件的零件 其功用是支承轴及轴上零件 保持轴的旋转精度和减少轴与支承间的摩擦和磨损 2 轴承按照工作时摩擦性质不同 可分为滑动轴承和滚动轴承 图19和图20 滑动轴承适用于高速 高精度 重载和有较大冲击的场合 也应用于不重要的低速机器中 滚动轴承具有摩擦阻力小 易起动 适用范围广 轴向尺寸小 润滑和维修方便 应用广泛 3 按照轴承受力方向的不同 轴承可分为三种形式 承受径向力的向心轴承 图9 19a 图9 20a 承受轴向力的推力轴承 图9 19b 图9 20b 同时承受径向力和轴向力的向心推力滑动轴承 图9 19c 和角接触滚动轴承 图9 20c 4 滑动轴承的润滑滑动轴承润滑的目的在于减小摩擦和磨损 降低功率消耗 润滑剂还可起到冷却 防锈和吸振的作用 润滑剂的选择直接影响到上述效果 1 润滑剂种类润滑剂分为 液体 润滑油 半固体 润滑脂 固体 2 润滑方法和润滑装置按供油方式不同可分为间歇润滑和连续润滑 间歇润滑是利用油壶或油枪 靠手工定时通过轴承油孔加油 油脂 为避免加油时污物进入轴承 可在油孔上装压注油杯 图9 30a b 和旋盖式脂杯 图9 30c 比较重要的轴承应采用连续供油的方法与装置 常用的供油方式见表9 7表9 7动压轴承常用的供油方式 滚动轴承 1 滚动轴承的基本构造如图9 31所示 滚动轴承一般由内圈1 外圈2 滚动体3和保持架4组成 内外圈上通常制有沟槽 其作用是限制滚动体轴向位移和降低滚动体与内外圈间的接触应力 内外圈分别与轴颈和轴承座配合 通常是内圈随轴颈转动而外圈固定不动 但也有外圈转动而内圈固定不动 当内 外圈相对转动时 滚动体就在滚道内滚动 保持架的作用是使滚动体等距分布 并减少滚动体间的摩擦和磨损 常用的滚动体有球 圆柱滚子 圆锥滚子 球面滚子和滚针等 如图9 32所示 2 滚动轴承的应用特点滚动轴承具有摩擦阻力小 起动灵敏 效率高 可用预紧的方法提高支承刚度与旋转精度 润滑简便和有互换性等优点 主要缺点是抗冲击能力较差 高速时出现噪声和轴承径向尺寸大 与滑动轴承相比 寿命较低 联轴器 常用联轴器可分为三大类 刚性联轴器 弹性联轴器和安全联轴器 1 刚性联轴器刚性联轴器是通过若干刚性零件将两轴联接在一起 可分为固定式和可移式两类 这类联轴器结构简单 成本较低 但对中性要求高 一般用于平稳载荷或只有轻微冲击的场合 1 刚性固定式联轴器刚性固定式联轴器有凸缘式和套筒式等 2 可移式刚性联轴器可以补偿被联接两轴间的位移 常用的有滑块联轴器 万向联轴器等 2 弹性联轴器当轴与轴要联接传达动力时 一般有用皮带轮或齿轮做联接 但若要求两轴要在一直线上且要求等速转动的话 则必须使用联轴器来联接 而因加工精度 轴受热膨张或运转中轴受力弯曲等 将使两轴间的同心度产生变化 因此可用柔性联轴器当作桥梁来维持两轴间的动力传达 并达到吸收两轴间的径向 角度及轴向偏差 进而延长机械的寿命 提高机械的质 离合器 离合器的种类很多 常用的有牙嵌式离合器 摩擦式离合器和超越离合器 嵌入式离合器依靠齿的嵌合来传递转矩 摩擦式离合器则依靠工作表面的摩擦力来传递转矩 超越离合器可使同一轴上有两种不同的转速 从动件可以超越主动件 1 牙嵌式离合器 2 摩擦式离合器 3 超越离合器 碳纤维离合片 制动器 制动器是利用摩擦副中所产生的摩擦力矩来实现制动的 制动器常安装在机器的高速轴上 这样所需的制动力矩小 可减小制动器的尺寸 制动器的种类很多 按摩擦表面形状可分为块式制动器 带式制动器和盘式制动器 下面介绍几种常见的制动器 1 带式制动器2 内涨蹄式制动器 减速器的应用和分类 减速器是原动机和工作机之间独立的闭式传动装置 用来降低转速 以适应工作机的需要 它一般由封闭在箱体内的齿轮传动或蜗杆传动所组成 由于减速器使用维护方便 在现代机械中应用十分广泛 图为一带式输送机 高速的电动机经带传动和减速器 降低速度后驱动带式运输机 带式运输机 减速器的类型很多 常用的由圆柱齿轮减速器 锥齿轮减速器 蜗杆减速器和行星齿轮减速器以及与电动机装在一起的电动机减速器等 单级圆柱齿轮减速器结构图 1 为便于箱盖与箱座加工及安装定位 在剖分面的长度方向两端各有一个锥形定位销 箱盖上设有窥视孔 以便观察齿轮或蜗杆与蜗轮的啮合情况 窥视孔盖上装有通气器 箱内温度升高 气压增大 经过通气器向外散发 为了方便拆卸箱盖 装有两个起盖螺钉 为拆卸和搬运 设置吊耳或吊环螺钉 箱座上装有油标尺 用来检查箱内的油量 最低处设有放油螺塞 以便排除污油和清洗底部 2 减速器的标准目前我国已制定了50 60种齿轮及蜗杆减速器标准系列 并由专业部门的工厂生产 如通用圆柱齿轮减速器标准ZBJ19004 88 锥齿轮减速器标准YB T050 93 圆柱蜗杆减速器标准JB ZQ4390 86等 用户可根据产品目录选购 优先采用合适的标准减速器 只有在选不到合适的标准减速器时 才需自行设计 减速器的代号包括减速器的型号 低速级中心距 公称传动比 装配型式和专业标准号 其中型号用字母组合表示 ZDY ZLY ZSY分别表示单级 两级 三级 例 代号ZLY560 11 2 IZBJ19004 1988的含义 ZLY 表示减速器型号为两级 560 表示低速中心距为560mm 11 2 表示公称传动比为11 2 I 表示第一种装配形式 ZBJ19004 1988 表示专业标准号 减速器的拆装 1 拆卸 a 用扳手拆卸上 下箱体之间的连接螺栓 拆下定位销 将螺栓 螺钉 垫片 螺母和销钉放在盘中 以免丢失 然后拧动启盖螺钉使上下箱体分离 卸下箱盖 b 卸下轴承盖 将轴和轴上零件一起从箱内取出 按合理顺序拆卸轴上零件 减速器拆装视频汽车变速器拆装视频星型齿轮分路传动视频 2 装配按原样将减速器装配好 装配时按先内部后外部的合理顺序进行 装配轴套和滚动轴承时 应注意方向 注意滚动轴承的合理装拆方法 检查合格后才能合上箱盖 注意退回启盖螺钉 并在装配上 下箱盖之间螺栓前应先安装好定位销 最后拧紧各个螺栓 3 注意事项 1 切勿盲目拆装 拆卸前要仔细观察零 部件的结构及位置 考虑好拆装顺序 拆下的零 部件要统一放在盘中 以免丢失和损坏 2 爱护工具 仪器及设备 小心仔细拆装避免损坏 定位销为安装方便 箱座和箱盖用圆锥定位销定位并用螺栓连接固 紧起盖螺钉为了便于揭开箱盖常在箱盖凸缘上装有起盖螺钉 起吊装置为了便于吊运在箱体上设置有起吊装置箱盖上的起吊孔用于提升箱盖 箱座上的吊钩用于提升整个减速器 观察孔打开观察孔盖板通过观察孔可以检查齿轮啮合情况及向箱内注油 平时用于观察齿轮啮合情况 螺塞箱座下部设有放油孔换油时通过放油孔排放污油和清洗剂平时用螺塞堵住 油标为了便于检查箱内油面高低 箱座上设有油标 通气器是因为减速器工作时由于箱内温度升高空气膨胀压力增大 为使箱内受热膨胀的空气能自动排出以保持箱内压力平衡不致使润滑油沿剖分面等处渗漏因此在箱盖上的观察孔盖板上装有通气器 摆线针轮减速器 1 摆线针轮减速器是采用 少齿差一式传动原理及摆线针齿啮合的新颖传动机械 广泛应用于纺织印染 轻工食品 冶金矿山 石油化工 起重运输及工程机械领域中的驱动和减速装置 2 其特点是 具有减速比大 传动效率高 体积小 重量轻 故障少 寿命长 运转平稳可靠 噪音小 拆装方便 容易维修 结构简单 过载能力强 耐冲击 惯性力矩小 等特点 摆线针轮减速器转动视频 变速器 1 前节所述的减速器 传动比都是固定不变的 但在许多情况下 机器需要在工作过程中根据不同的要求随时改变速度 如汽车要根据具体情况改变行车速度 机床要根据被加工零件的具体情况调整主轴的转速 以达到最有利的切削速度 变速器就是能随时改变传动比的传动机构 它一般是一台机器整个传动系统的一部分 很少作为独立的传动装置使用 所以也常称其为变速机构 2 变速器可分为有级变速器 或分级变速器 和无级变速器两大类 前者的传动比只能按既定的设计要求通过操纵机构分级进行改变 而后者的传动比则可在设计预定的范围内无级地进行改变 交流电动机 1 电动机可分为交流电动机和直流电动机两大类 交流电动机又分为异步电动机 或称感应电动机 和同步电动机 2 在生产上主要用的是交流电动机 特别是三相异步电动机 它被广泛地用来驱动各种金属切削机床 起重机 锻压机 传送带 铸造机械 功率不大的通风机及水泵等 仅在需要均匀调速的生产机械上 如龙门刨床 轧钢机及某些重型机床的主传动机构 以及在某些电力牵引和起重设备中才采用直流电动机 同步电动机主要应用于功率较大 不需调速 长期工作的各种生产机械 如压缩机 水泵 通风机等 单相异步电动机常用于功率不大的电动工具和某些家用电器中 除上述动力用电动机外 在白动控制系统和计算装置中还用到各种控制电机 2 在生产上主要用的是交流电动机 特别是三相异步电动机 它被广泛地用来驱动各种金属切削机床 起重机 锻压机 传送带 铸造机械 功率不大的通风机及水泵等 仅在需要均匀调速的生产机械上 如龙门刨床 轧钢机及某些重型机床的主传动机构 以及在某些电力牵引和起重设备中才采用直流电动机 同步电动机主要应用于功率较大 不需调速 长期工作的各种生产机械 如压缩机 水泵 通风机等 单相异步电动机常用于功率不大的电动工具和某些家用电器中 除上述动力用电动机外 在自动控制系统和计算装置中还用到各种控制电机 3 本章讨论三相异步电动机 了解下列几个方面的问题 a 基本构造 b 工作原理 c 起动 反转 调速及制动的基本原理和基本方法 d 应用场合和如何正确接用 三相异步电动机的构造 1 三相异步电动机分成两个基本部分 定子 固定部分 和转子 旋转部分 加润滑油视频 三相异步电动机视频 电动机的转动原理 由图7 2 7可见 转子转动的方向和磁极旋转的方向相同 这就是图7 2 1的演示中转子跟着磁场转动 当旋转磁场反转时 电动机也跟着反转 直流电机转动原理视频交流电机转动原理视频1交流电机转动原理视频2 起动方法 笼型电动机的起动有直接起动和降压起动两种 1 直接起动直接起动就是利用闸刀开关或接触器将电动机直接接到具有额定电压的电源上 这种起动方法虽然简单 但如上所述 由于起动电流较大 将使线路电压下降 影响负载正常工作 一台电动机能否直接起动 有一定规定 有的地区规定 用电单位如有独立的变压器 则在电动机起动频繁时 电动机容量小于变压器容量的20 时允许直接起动 如果电动机不经常起动 它的容量小于变压器容量的30 时允许直接起动 如果没有独立的变压器 与照明共用 电动机直接起动时所产生的电压降不应超过5 二三十千瓦以下的异步电动机一般都是采用直接起动的 2 降压起动如果电动机直接起动时所引起的线路电压降较大 必须采用降压起动 就是在起动时降低加在电动机定子绕组上的电压 以减小起动电流 l 星形一三角形 丫一 换接起动如果电动机在工作时其定子绕组是连接成三角形的 那么在起动时可把它接成星形 等到转速接近额定值时再换接成三角形联结 这样 在起动时就把定子每相绕组上的电压降到正常工作电压的 即降压起动时的电流为直接起动时的1 3 三相异步电动机接线视频 三相异步电动机的调速 在讨论异步电动机的调速时 首先从研究公式 此式表明 改变电动机的转速有三种可能 即改变电源频率fl 极对数P及转差率 前两者是笼型电动机的调速方法 后者是绕线型电动机的调速方法 近年来变频调速技术发展很快 目前主要采用如下图所示的变频调速装置 它主要由整流器和逆变器两大部分组成 整流器先将频率f为50Hz的三相交流电变换为直流电 再由逆变器变换为频率f可调 电压有效值U也可调的三相交流电 供给三相笼型电动机 由此可得到电动机的无级调速 并具有硬的机械特性 三相异步电动机的制动 因为电动机的转动部分有惯性 所以把电源切断后 电动机还会继续转动一定时间而后停止 为了缩短辅助工时 提高生产机械的生产率 并为了安全起见 往往要求电动机能够迅速停车和反转 这就需要对电动机制动 异步电动机的制动常有下列几种方法 1 能耗制动 这种制动方法就是在切断三相电源的同时 接通直流电源 2 反接制动3 发电反馈制动 三相异步电动机的铭牌数据 此外 它的主要技术数据还有 效率87 液压传动 液压传动是以液体作为工作介质 并利用液体的压力实现机械设备的运动或能量传递和控制功能 随着现代科技的发展 液压传动在机床 工程机械 交通运输机械 农业机械 化工机械 船舶及航空航天等领域都得到了广泛的应用 液压传动的工作原理 图10 1是常见的液压千斤顶的工作原理图 它由手动柱塞泵和液压缸以及管路 管接头等构成一个密封的连通器 其间充满着油液 通过对液压千斤顶工作过程的分析可知 液压传动的工作原理是以油液作为工作介质 依靠密封容积的变化来传递运动 依靠油液内部的压力来传递动力 液压传动装置实质上是一种能量转换装置 即实现机械能 液压能 机械能的能量转换 由上例可知 一般液压传动系统除油液外 应由下列几个部分组成 以图10 1为例 1 动力部分 液压泵 将输入的机械能转换为液压能 是系统的能源 如1 2 3 5 7组成的手动柱塞泵 2 执行部分 液压缸或液压马达 将液压能转换为机械能 输出直线运动或旋转运动 如11 12组成的液压缸 3 控制部分 控制阀 控制液体压力 流量和方向 如各种压力阀 流量阀和换向阀 4 辅助部分 油箱 管路等 输送液体 储存液体 过滤液体 密封等 以保证液压系统正常工作所必需的部分 如油箱 油管 管接头 滤油器等 液压泵 2 液压泵主要类型 1 齿轮泵 2 叶片泵 3 柱塞泵 液压缸 液压缸是将液压能转换为机械能的能量转换装置 它是液压系统中的执行元件 液压缸一般用于实现往复直线运动或摆动 液压缸按结构形式可分为活塞缸 柱塞缸和摆动缸三类 液压控制阀 在液压系统中 为使机构完成各种动作 就必须设置各种相应的控制元件 液压控制阀 以用来控制或调节液压系统中液流的方向 压力和流量 以满足执行机构运动和力的要求 液压控制阀根据其在系统中的用途不同 可分为方向控制阀 压力控制阀和流量控制阀三大类 直动式溢流阀的特点是结构简单 反应灵敏 缺点是工作时易产生振动和噪声 而且压力波动较大 直动式溢流阀主要用于低压或小流量场合 液压辅件 1 油管和管接头 1 油管的作用是连接液压元件和输送液压油 在液压系统中常用的油管有钢管 铜管 塑料管 尼龙管和橡胶软管 可根据具体用途进行选择 钢管 无缝钢管 耐压高 适用于中 高压的液压系统 铜管 紫铜管 易弯曲成形 安装方便 管壁光滑 摩擦阻力小 但耐压低 价格高 抗振能力弱 易使压力油氧化 适用于中 低压系统 尼龙管 能代替部分紫铜管 价格低 易弯曲 但寿命较短 适用于中 低压场合 橡胶软管 吸振性好 能减轻冲击 安装方便 但寿命较短 一般用于有相对运动件之间的连接 有高压和低压橡胶软管两种 塑料管 价格便宜 但耐压低 一般用作回油管或泄油管 2 管接头管接头用于油管与油管 油管与液压件之间的连接 管接头按通路数可分为直通 直角 三通等形式 按接头连接方式可分为焊接式 卡套式 管端扩口式和扣压式等形式 按联接油管的材质可分为钢管管接头 金属软管管接头和胶管管接头等 我国已有管接头标准 使用时可根据具体情况 选择使用 2 油箱油箱主要功能是储油 散热及分离油液中的空气和杂质 油箱的结构如图10 29所示 形状根据主机总体布置而定 它通常用钢板焊接而成 吸油侧和回油侧之间有两个隔板7和9 将两区分开 以改善散热并使杂质多沉淀在回油管一侧 吸油管1和回油管4应尽量远离 但距箱边应大于管径的三倍 加油用滤网2设在回油管一侧的上部 兼起过滤空气的作用 盖上面装有通气罩3 为便于放油 油箱底面有适当的斜度 并设有放油塞8 油箱侧面设有油标6 以观察油面高度 当需要彻底清洗油箱时 可将箱盖5卸开 油箱容积主要根据散热要求来确定 同时还必须考虑机械在停止工作时系统油液在自重作用下能全部返回油箱 3 滤油器滤油器的作用是分离油中的杂质 使系统中的液压油经常保持清洁 以提高系统工作的可靠性和液压元件的寿命 液压系统中的所有故障80 左右是因污染的油液引起的 因此液压系统所用的油液必须经过过滤 并在使用过程中要保持油液清洁 油液的过滤一般都先经过沉淀 然后经滤油器过滤 滤油器按过滤情况可分为粗滤油器 普通滤油器 精滤油器和特精滤油器 按结构可分为网式 线隙式 烧结式 纸芯式和磁性滤油器等形式 滤油器可以安装在液压泵的吸油口 出油口以及重要元件的前面 通常情况下 泵的吸油口装粗滤油器 泵的出油口和重要元件前装精滤油器 滤油器的基本要求是过滤精度 滤油器滤芯滤去杂质的粒度大小 满足设计要求 过滤能力 即一定压降下允许通过滤油器的最大流量 满足设计要求 滤油器有一定的机械强度 不会因液压力作用而破坏 滤芯抗腐蚀能力强 并能在一定的温度范围内持久工作 滤芯要便于清洗和更换 便于装拆和维护 4 蓄能器蓄能器是一种能够蓄存液体压力能并在需要时把它释放出来的能量储存装置 蓄能器种类较多 常用的是充气式蓄能器 气囊式蓄能器的结构如图10 31所示 它主要有充气阀1 壳体3 气囊2和提升阀4所组成 气囊用耐油橡胶制成 并与充气阀座压制在一起 固定在壳体3的上半部 充气阀仅在蓄能器工作前对其充气用 蓄能器工作后始终关闭 一般气囊的充气压力可为系统油液最低工作压力的60 70 气囊外部为压力油 气囊内部的气体体积随蓄能器内油压力的降低而膨胀 并将油液排出 提升阀4的作用是防止油液全部排出时气囊膨出容器之外 充气式蓄能器的优点是 气囊惯性小 反应灵敏 尺寸小 容易维护 易于安装 缺点是 胶囊和壳体制造困难 容量较小 液压基本回路的工作原理 2 QD351型自卸汽车液压系统图10 50所示为黄河牌QD351型自卸汽车液压举升系统原理图 汽车翻斗倾斜情况如图a b c d所示 系统图如图e所示 用来控制车厢的翻倾 气压传动 气压传动是风动技术与液压技术演变 发展而来 气压传动是以压缩空气作为工作介质传递运动和动力 由于气压传动的动力传递介质是取之不尽的空气 所以污染小 因此在自动化领域中具有广阔的发展前景 气压传动广泛应用于纺织 机械 汽车 电子 军事 钢铁 化工 食品 包装等行业中 随着原子能 空间技术 计算机技术等的发展 气压传动技术必将更加广泛地应用于各个工业领域 气压传动与液压传动相比 有以下优点 1 以空气作介质 介质清洁 易得 费用低 维护处理方便 管道不易堵塞 2 空气粘度很小 约为油的万分之一 管道压力损失小 易集中供应和远距离输送 3 气压传动动作迅速 一般只需0 02 0 3秒就可以达到所需的压力和速度 4 压缩空气的工作压力较低 一般为0 4 0 8MPa 故可降低对气动元件的加工精度等的要求 易制造 成本低 所以气动元件大都已标准化和系统化 易购买 5 空气的性质受温度的影响小 高温下不会燃烧和爆炸 使用安全 温度变化时 其粘度变化极小 不会影响传动性能 气压传动与液压传动相比 有以下缺点 1 由于空气的工作压力低 在输出力相同情况下 装置结构尺寸大 因此气动装置的总推力不宜过大 一般不大于10 90KN 2 由于空气的可压缩性 气动装置的动作稳定性差 当外载荷变化时 对速度影响更大 3 气动装置的噪声较大 特别是在排气时 材料力学基础 1 材料力学的基本概念构件的承载能力 为了保证机械或结构在载荷作用下能正常工作 必须要求每个构件都具有足够的承受载荷的能力 简称承载能力 刚度 把构件抵抗变形的能力称为刚度 强度 材料或物件经得起压力或变形的能力 稳定性 杆件维持其原有平衡形式的能力称为稳定性 构件安全工作的三项基本要求 具有足够的强度 刚度和稳定性 2 杆件变形的基本形式一 几个基本概念 1 杆 纵向尺寸 长度 远大于横向尺寸的材料 在材料力学上将这类构件称为杆 2 曲杆 杆的轴线为曲线的杆 3 直杆 杆的轴线为直线的杆 4 等横截面直杆 直杆且各横截面都相等的杆件 二 杆件变形的基本形式 如右图所示 3 轴向拉伸和压缩3 1拉伸和压缩的概念拉伸压缩拉伸和压缩受力特点是 作用在杆端的两外力 或外力的合力 大小相等 方向相反 作用线与杆的轴线重合 变形特点 杆件沿轴线方向伸长或缩短 3 2拉伸 压缩 时材料的力学性质图1 低碳钢拉伸变形 曲线图2 灰铸铁拉伸变形 曲线1 低碳钢拉伸变形过程如图1所示低碳钢拉伸变形过程如图1 所示可分为四个阶段 弹性阶段 屈服阶段 强化阶段 颈缩阶段2 灰铸铁拉伸变形过程如图2所示 低碳钢压缩时的 曲线铸铁压缩时的 曲线从图中可以看出 低碳钢压缩时的弹性模量与拉伸时相同 但由于塑性材料 所以试件愈压愈扁 可以产生很大的塑性变形而不破坏 因而没有抗压强度极限 从图中可以看出 铸铁在压缩时其线性阶段不明显 强度极限 b比拉伸时高2 4倍 破坏突然发生 断口与轴线大致成45 55 的倾角 由于脆性材料抗压强度高 宜用于制作承压构件 机械工程材料 1 金属材料的性能使用性能 金属材料在使用条件下所表现出来的性能 金属材料的性能工艺性能 金属材料从冶炼到成品的生产过程中 在各种加工条件下表现出来的性能 物理性能1 1使用性能化学性能力学性能铸造性焊接性1 2工艺性能锻压性切削加工性热处理性 2 金属材料的物理性能金属的物理性能是金属固有的属性 它包括密度 熔点 导热性 导电性 热膨胀性和磁性等 3 金属材料的化学性能金属的化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能 它包括耐腐蚀性 抗氧化性和化学稳定性等 3 1耐腐蚀性金属材料在常温下抵抗氧化 水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力 3 2抗氧化性金属材料抵抗氧化作用的能力 称为抗氧化性 3 3化学稳定性化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称 4 金属材料的力学性能4 1 力学性能 金属材料在外力作用下所表现出来的性能称为力学性能 4 2载荷 金属材料在使用及加工中所受外力称为载荷 4 3载荷分类 根据载荷作用性质的不同 可以分为静载荷 冲击载荷及疲劳载荷等三种 4 4力学性能指标 强度 塑性 硬度 韧性和疲劳强度等 强度强度是金属材料在静载荷作用下 抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度 常用的强度有 抗拉强度 b 和屈服点 s 抗拉强度和屈服点可以通过拉伸试验测定 塑性金属材料在静载荷作用下 产生永久变形而不破坏的能力称为塑性 常用的塑性指标 延伸率 和断面收缩率 硬度金属材料抵抗局部变形 特别是塑性变形 压痕或划痕的能力称为硬度 硬度是衡量金属材料软硬的一个重要指标 常用测量硬度的试验方法有压入硬度试验法 常用的硬度指标有布氏硬度 HB 洛氏硬度 HR 和维氏硬度 HV 韧性金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为韧性 常用一次摆锤冲击弯曲试验测定金属材料的韧性 冲断试样时 在试样横截面的单位面积所消耗的功称为冲击韧性 常用 k表示 单位为J cm2 多次小能量冲击的 其冲击抗力主要取决于材料的强度和韧性 疲劳强度金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限 一般情况下 钢铁材料用107次 对非铁金属用108次所能承受的最大应力表示疲劳强度 对称循环强度用 1表示 由于疲劳断裂是突然发生的 具有很大的危险性 因此要改善零件的结构形状 常用金属材料的力学性能指标表 5 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能 是指在各种加工条件下表现出来的适应能力 5 1铸造性能金属及合金成型获得优良铸件的能力称为铸造性能 灰铸铁比铸钢的铸造性好 5 2锻压性能金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻压性能 一般情况下 低碳钢的锻压性最好 中碳钢次之 高碳钢较差 5 3焊接性能金属材料在一定焊接条件下 是否易于获得优良焊接接头的能力称为焊接性能 一般情况下 低碳钢具有良好的焊接性 高碳钢 铸铁的焊接性较差 5 4切削加工性能金属材料切削加工的难易程度称为切削加工性能 铸铁比钢切削加工性能好 碳钢比合金钢切削性能好 钛 1 钛是一种金属元素 灰色 原子序数22 相对原子质量47 87 能在氮气中燃烧 熔点高 钝钛和以钛为主的合金是新型的结构材料 主要用于航天工业和航海工业 2 地球表面十公里厚的地层中 含钛达千分之六 比铜多61倍 在地壳中的含量排第十位 地壳中元素排行 氧 硅 铝 铁 钙 钠 钾 镁 氢 钛 随便从地下抓起一把泥土 其中都含有千分之几的钛 世界上储量超过一千万吨的钛矿并不稀罕 3 1947年 人们才开始在工厂里冶炼钛 当年 产量只有2吨 1955年产量激增到2万吨 1972年 年产量达到了20万吨 钛的硬度与钢铁差不多 而它的重量几乎只有同体积的钢铁的一半 钛虽然稍稍比铝重一点 它的硬度却比铝大2倍 现在 在宇宙火箭和导弹中 就大量用钛代替钢铁 据统计 目前世界上每年用于宇宙航行的钛 已达一千吨以上 极细的钛粉 还是火箭的好燃料 所以钛被誉为宇宙金属 空间金属 4 钛没有磁性 用钛建造的核潜艇不必担心磁性水雷的攻击 5 钛的耐热性很好 熔点高达1725 在常温下 钛可以安然无恙地躺在各种强酸强碱的溶液中 就连最凶猛的酸 王水 也不能腐蚀它 钛不怕海水 有人曾把一块钛沉到海底 五年以后取上来一看 上面粘了许多小动物与海底植物 却一点也没有生锈 依旧亮闪闪的 现在 人们开始用钛来制造潜艇一 钛潜艇 由于钛非常结实 能承受很高的压力 这种潜艇可以在深达4500米的深海中航行 6 钛活动性在镁 铝之间 常温下并不稳定 常温下钛与氧气化合生成一层极薄致密的氧化膜 这层氧化膜常温下不与绝大多数强酸 强碱反应 包括酸中之王 王水 它只与氢氟酸 热的浓盐酸 浓硫酸反应 因此钛体现了抗腐蚀性 7 冶炼钛时 要经过复杂的步骤 把钛铁矿变成四氯化钛 再放到密封的不锈钢罐中 充以氩气 使它们与金属镁反应 就得到 海绵钛 这种多孔的 海绵钛 是不能直接使用的 还必须把它们在电炉中熔化成液体 才能铸成钛锭 但制造这种电炉又谈何容易 除了电炉的空气必须抽干净外 更伤脑筋的是 简直找不到盛装液态钛的坩埚 因为一般耐火材料部含有氧化物 而其中的氧就会被液态钛夺走 后来 人们终于发明了一种 水冷铜坩埚 的电炉 这种电炉只有中央一部分区域很热 其余部分都是冷的 钛在电炉中熔化后 流到用水冷却的铜坩埚壁上 马上凝成钛锭 用这种方法已经能够生产几吨重的钛块 但它的成本就可想而知了 常用金属材料分类碳素钢 含碳质量分数小于2 11 而不含有特意加入合金元素的钢 称为碳素钢 1 碳素钢的分类 1 按钢的含碳质量分数分类低碳钢含碳质量分数Wc 0 25 中碳钢含碳质量分数Wc 0 25 0 60 高碳钢含碳质量分数Wc 0 6 2 按钢的质量分类根据钢中含有害元素磷 硫质量分数划分 普通碳素钢Ws 0 035 Wp 0 035 优质钢Ws 0 030 Wp 0 030 高级优质钢Ws 0 020 Wp 0 025 3 按用途分类碳素结构钢 用于制造各种机械零件和工程结构件 这类钢一般属于低碳 中碳钢 碳素工具钢 用于制造各种刀具 量具和模具 这类钢一般属于高碳钢 4 按脱氧方法分类沸腾钢 不完全脱氧 镇静钢 完全脱氧 半镇静钢 介于沸腾钢和镇静钢之间 在实际使用中 钢厂在给钢的产品命名时 往往将成分 质量和用途三种分类方法结合起来 如将钢称为优质碳素结构钢 高级优质碳素工具钢等 2 碳素结构钢根据质量可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢 普通碳素结构钢牌号 普通碳素结构钢的牌号由 Q 表示屈服点的汉语拼音字首 一组数据 表示屈服强度 单位MPa 质量等级符号 质量分A B C D四个等级 和脱氧方法符号 F 沸腾钢 b 半镇静钢 Z 镇静钢 TZ 特殊镇静钢 通常Z TZ可省略 四个部分按顺序组成 例如Q235 A F表示脱氧方法为沸腾钢 质量等级为A级 屈服强度为235MPa的普通碳素结构钢 用途 碳素结构钢Q195 Q215 Q235塑性好 焊接性好 强度较低 主要用于工程结构和制造受力不大的机器零件 Q255 Q275的强度较高 可用于制作受力中等的普通零件 优质碳素结构钢牌号 优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示 这两位数字代表钢的平均含碳质量分数的万之一 例如45表示平均含碳质量分数为0 45 的优质碳素结构钢 按照钢中锰的含量不同 可分为普通含锰量钢 WMn 0 80 和较高含锰量钢 WMn 0 7 1 2 两种 如果是后一种钢 则在两位数字后面加上Mn 如45Mn表示平均含碳量分数为0 45 的较高锰优质碳素结构钢 用途 优质碳素结构钢既保证力学性能又保证化学成分 而且钢中的有害杂质硫 磷质量分数较低 质量较高 故广泛用于制造较重要的零件 3 碳素工具钢由于碳素结构钢要求高硬度和高耐磨性 故工具钢含碳质量分数都在0 7 以上 都是优质钢和高级优质钢 牌号 以汉语拼音字母 T 后面加阿拉伯数字表示 其数字表示钢中平均含碳质量分数的千分之几 例如T8表示含碳质量分数为0 80 的碳素工具钢 若为高级优质碳素工具钢 则在牌号后面标以字母A 如T12A表示平均含碳质量分数为1 20 的高级优质碳素工具钢 用途 主要用于制造刃具 模具 量具以及其他工具 合金钢 为了改善钢的性能 特意加入其他合金元素的钢 常用的合金元素有硅 锰 铬 镍 钨 钒 钴 铅 钛和稀土金属等 1 合金钢的分类 1 按用途分合金结构钢 主要用于制造重要的机器零件和工程结构件 合金工具钢 只要用于制造重要的刃具 量具和模具 特殊性能钢 具有某种特殊物理 化学性能的钢 如不锈钢 耐热钢 耐磨钢等 2 按所含合金元素总含量分低合金钢合金元素总含量 5 中合金钢合金元素总含量5 10 高合金钢合金元素总含量 10 合金结构钢按用途可分为 低合金结构钢和机械制造用钢两大类 1 合金结构钢牌号表示方法 合金结构钢的牌号采用两位数字 表示平均含碳质量分数万分之几 元素符号 表示钢中含有主要合金元素 数字 表示合金元素含量 凡合金元素含量 1 5 时不标出 如果平均含量为1 5 2 5 时 则标为2 如果平均含量为2 5 3 5 时标为3 以此类推 2 低合金结构钢低合金结构钢虽然是一种低碳 低合金的钢 但具有高的屈服强度和良好的塑性和韧性 具有良好的焊接性和一定的耐蚀性 因此广泛用于桥梁 船舶 车辆等领域 常用金属材料1 铸铁1 1灰铸铁牌号 以 HT加数字组成 表示 其中 HT 是 灰 与 铁 的汉语拼音字首表示灰口铸铁 数字表示其最低的抗拉强度 如HT100表示最低抗拉强度为100MPa的灰铸铁 热处理可以改变灰铸铁的基体组织 但不能改变其石墨形态和分布 因而对提高灰铸铁的力学性能作用不大 1 2可锻铸铁铸铁中石墨呈紧密的团絮状 它是用白口铸铁经长期退火后获得的 由于石墨呈团絮状 大大减轻了对基体的割裂作用 因此这种铸铁强度较高 韧性好 并由此得名 可锻 但实际上并不可锻 分类 可锻铸铁有黑心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁 牌号 由 KTH KTZ 及后面的两组数字组成 其中 KT 是 可铁 二字的汉语拼音字首 H 表示黑心 Z 表示以珠光体为基体 其后两组数字分别表示最低抗拉强度 b和最低延伸率 1 3球墨铸铁球墨铸铁在浇注之前 往铁水中加入一定量的球化剂 稀土镁合金等 和孕育剂 硅铁或硅钙合金 使铸铁中的石墨呈球状析出的铸铁 性能 球墨铸铁的力学性能比灰铸铁和可锻铸铁都高 其抗拉强度 塑性 韧性与相应基体组织的铸钢相近 而成本接近于灰铸铁 并保留了灰铸铁的优良性能 用途 球墨铸铁一出现就得到了广泛的使用 如柴油机曲轴 减速箱齿轮以及轧钢机轧辊等 牌号 由 QT 及后面的两组数字组成 QT 表示 球铁 两字的汉语拼音字首 后面的两组数字分别表示最低抗拉强度 b和最低延伸率 热处理 球墨铸铁可以