NOTIUNI CARACTERISTICE PRIVIND CONSTRUCTIA SI CALCULUL ORGANELOR COMUNE MASINILOR DE CONSTRUCTII

NOTIUNI CARACTERISTICE PRIVIND CONSTRUCTIA SI CALCULUL ORGANELOR COMUNE MASINILOR DE CONSTRUCTII

Organele de masini sunt parti componente ale masinilor si mecanismelor, alcatuite din piese sau ansambluri de piese, putand fi calculate si proiectate in mod independent.

1. OBIECTUL SI IMPORTANTA STUDIULUI

ORGANELOR DE MASINI

Inginerul constructor trebuie sa cunoasca principalele organe de masini ce intra in compunerea masinilor si utilajelor folosite in constructii, deoarece pe santierele de constructii el este acela care exploateaza masinile, utilajele si instalatiile pentru constructii.

Un organ de masina poate fi - simplu, adica format dintr-o singura piesa (de ex. un surub care asambleaza doua piese, o pana longitudinala), sau compus - adica format din mai multe piese (de ex. lagarele pe care se reazema arborii, biela care face legatura dintre arbore si piston in mecanismul motor cu biela manivela).

Nici o masina nu poate functiona corect, sigur si economic daca organele masinii din care este alcatuita nu sunt calculate, proiectate si executate in mod corespunzator.

Progresul in constructia de masini imprima aprofundarea continua a organelor de masini.

Folosirea organelor de masini, in sensul rolului functional, a inceput din timpuri foarte vechi odata cu roata si osia, cu scripetii si parghiile, cu penele si suruburile.

Fiind elemente componente, organele de masini trebuie sa indeplineasca aceleasi conditii ca si masina insasi.

Principalele conditii generale cerute organelor de masini sunt urmatoarele:

1 -indeplinirea integrala a rolului functional

2 -siguranta in exploatare sub aspecte de:

- rezistenta statica si la oboseala

- deformatii

- vibratii

- temperatura

- etanseitate

3 -durabilitate economica, adica:

- evitarea ruperilor la oboseala

- evitarea uzurii premature

- evitarea uzurii morale

4 -tehnologicitatea, adica sa se poata executa din material usor de prelucrat, sa aiba forme simplificate, etc.

5 -respectarea standardelor in vigoare

6 -usurinta transportului

Din studiul conditiilor cerute organele de masini rezulta ca in proiectare se fac calcule de rezistenta de vibratii, de uzura si de durabilitate, de incalzire, de economicitate.

Materialele utilizate pentru constructia organelor de masini sunt:

- oteluri obisnuite OL 34, OL 37, OL 42, OL 50, OLC 35, OLC 45;

oteluri aliate cu crom, molibden, siliciu, nichel, etc.S

oteluri carbon de calitate OLC 25, OLC 35, OLC 45;

oteluri speciale cu nichel (pentru temperaturi foarte ridicate);

aliaje Al - Mg, Al - Ca - Mg;

fonta obisnuita sau fonte speciale;

bronzurile;

materiale siderizate;

materiale antifrictiune nemetalice: lemn, cauciuc, sticla, grafit;

materiale nemetalice: cauciuc, pluta.

2. CLASIFICAREA ORGANELOR DE MASINI

Organele de masini se pot clasifica dupa mai multe criterii si anume:

Dupa rolul functional organele de masini se clasifica in:

1. organe de asamblare - demontabile

- nedemontabile

- elastice

2. organele miscarii de rotatie - osii si arbori

- organe de rezemare

- organe de legatura

3. organele transmisiilor mecanice

- organe pentru transmisii directe

- organe pentru transmisii indirecte

Detaliat organele de masini se pot prezenta astfel:

1a. - asamblari prin forma

- asamblari prin pene

- asamblari prin caneluri

- asamblari prin bolturi si stifturi

- asamblari prin suruburi

- asamblari prin forte de frecare folosind forma

- asamblari prin forte de frecare folosind strangerea

1b. - imbinari prin nituire

- imbinari sudate

- imbinari prin lipire

- imbinari prin incleiere

1c. - arcurile

2a. - cu axa geometrica dreapta

- cu axa geometrica cotita

- cu sectiune plina

- cu sectiune inelara

- osii fixe

- osii oscilante

- osii rotative

- osii si arbori orizontali

- osii si arbori verticali

- osii si arbori inclinati

2b. - cuplaje - permanente - fixe

- mobile

- intermitente (ambreiajele)

- automate

3a. - roti cu frictiune

- angrenaje (roti dintate)

3b. - curele

- lanturi

- cabluri

- benzi metalice

In ceea ce priveste organele de asamblare elastice (arcurile), acestea sunt organe de masini care prin forma lor si calitatii de elasticitate ale materialului din care sunt executate, sub actiunea fortelor exterioare ajung la deformatii relative mari, revenind la forma initiala dupa indepartarea acestor forte. In timpul deformatiei elastice, arcurile inmagazineaza lucru mecanic efectuat de forta exterioara cu posibilitatea de a-l reda integral sau partial in perioada de revenire, in functie de existenta frecarilor intre elementele componente sau in materialul insasi.

Arcurile formeaza o legatura elastica intre partile sau piesele unei masini, ale unui mecanism, aparat sau dispozitiv.

Arcurile au multiple intrebuintari si anume:

- amortizarea energiei de soc si a vibratiilor (arcurile vehicolelor)

- acumularea de energie ce trebuie redata treptat sau in timp scurt, respectiv readucerea unor piese in pozitie initiala (arcurile supapelor motoarelor cu ardere interna)

- exercitarea unor forte elastice permanente (arcurile unor ambreiaje)

- limitarea fortelor

- pentru reglare.

3. ORGANELE MISCARII DE ROTATIE

3.1. Lagare si fusuri

Verificarea fusurilor (si deci a lagarelor) la incalzire se face cu relatia:

p_m v_ef (p_a v)_a  (1)

unde:

este presiunea medie pe fus (fig. 2.1); (2.2)

l - lungimea fusului;

d = 2R - diametrul fusului;

N - incarcarea fusului;

m/s este "viteza periferica a fusului"; (2.3.)

n rot/min - turatia fusului;

p_a - presiunea admisibila.

Fig.2.1

La constructiile normale, lagarele si fusurile arborilor au lungimea l = (1,2 2)d, (2), iar la constructiile cu gabarite reduse l = (0,75 1,5)d.

Presiunile admisibile si produsurile admisibile (p_a v)_a se gasesc tabelate.

Randamentul lagarelor cu frecare de alunecare se determina cu formula :

(2.4.)

unde:

D - diametrul la care actioneaza forta periferica a elementului in rotatie;

m - coeficientul de frecare.

La calculul rulmentilor lagarelor cu rulmenti, durata minima a rulmentilor se determina pornind de la durata de functionare h ore a masinii intre doua reparatii capitale, care in majoritatea cazurilor este de 3000 4000 ore de functionare continua. Pentru ansamblurile mai importante si masinile complicate se recomanda ca h 20.000 ore.

3.2. Osii si arbori

Osiile sunt organe de masini care sustin alte organe in rotatie, in oscilatie sau in repaus ale masinilor, agregatelor sau vehicolelor, fara a transmite momente de rasucire, fiind solicitate in principal la inconvoiere.

Eforturile unitare de rasucire provocate de frecarile in reazeme sunt neglijabile.

Arborii sunt organe de masini care se rotesc in jurul axei geometrice, transmitand momentele de rasucire prin intermediul altor organe pe care le sustin sau care sunt asamblate (roti, biele, cuplaje). Prin aceasta functiune principala a lor, arborii sunt solicitati in principal la rasucire dar totodata si la inconvoiere.

Osiile drepte reprezinta cazul general, cu utilizarea cea mai mai larga (vagoane, masini si aparate de ridicat).

Osia fixa are rolul numai de a sustine un alt organ care se roteste.

Osia rotativa (osia vagonului) se invarteste odata cu roata solidarizata pe ea.

Arborii drepti isi gasesc utilizarea la transmisiile mecanice prin curele sau roti dintate. Arborii cotiti sunt caracteristici motoarelor, coturile facand parte din ansamblul mecanismului care transforma miscarea rectilinie transmisa de piston in miscare de rotatie a arborelui.

Fig. 2.2

Diametrul de calcul al unui arbore cu o singura pana se considera d_e = 0,96d; in cazul  a doua pene dispuse la 120⁰, d_e=0,93d; in cazul a trei pene dispuse la 120⁰ sau a doua dispuse la 180⁰, d_e = 0,9d. In cazul arborilor canelati, diametrul de calcul se considera egal cu diametrul interior al partilor canelate.

Sageata admisibila a arborilor se calculeaza cu relatia:

, (2.5.)

in cazul transmisiilor cu roti dintate cilindrice, sau cu relatia:

,

in cazul transmisiilor cu roti dintate conice, unde l_a este distanta dintre organele montate pe arbore, care transmit momentul de torsiune.

Momentul de torsiune aplicat arborelui motor este dat de relatia

daN cm (2.6)

unde:

P kw - puterea de regim a motorului;

n rot/min - turatia arborelui motor.

Pentru determinarea momentului de torsiune al arborelui care se dimensioneaza, trebuie sa se cunoasca raportul de transmitere "i" si randamentul transmisiei h de la motor la arborele considerat.

Daca motorul actioneaza simultan mai multe mecanisme, trebuie sa se cunoasca puterea maxima care poate fi transmisa fiecaruia dintre mecanismele care intra in calcule. La determinarea acestei puteri se porneste de la conditia de functionare a intregii masini.

Daca se calculeaza un mecanism oarecare al unui excavator sau al unei macarale, echipate cu un singur motor, trebuie sa se tina seama ca atunci cand variaza rezistenta pe dintii cupei, sau in momentul cand incepe rotirea, este posibil ca toata puterea motorului sa fie utilizata pentru antrenarea, fie a mecanismului de ridicare, fie a mecanismului de impingere, fie a mecanismului de rotire (daca, evident, momentele maxime aplicate acestor mecanisme nu sunt limitate de cuplajele de siguranta). Sa mai observam ca rezistentele admisibile se aleg in functie de conditiile in care lucreaza osiile si arborii considerati.

3.3. Franele

Franele cu banda si cu saboti sunt cele mai utilizate. Pentru ca ambreajele cu frictiune si franele sa functioneze sigur in orice conditii, trebuie ca forta periferica de calcul sa fie mai mare decat forta periferica corespunzatoare situatiei de regim, adica:

(2.7)

unde:

M_t - momentul de torsiune;

D_r - diametrul rotii cu care se solidarizeaza tamburul de franare;

b - coeficientul de suprasarcina (de exemplu, in cazul excavatorului cu mecanisme propriii de deplasare si cu regim usor si mediu de lucru b ,iar cu regim greu b

Franele care la cuplare si decuplare necesita forte mari sunt comandate mecanic, servomotoare. Dezavantajul tuturor franelor cu banda este ca provoaca sarcini suplimentare pe arborii pe care sunt montate.

Fig. 2.3.a

Fig. 2.3.b

1. Tambur cu frana

2. Placi speciale de azbest sau saboti de lemn

3. Banda de frana

4. Nituri cu cap inecat (din cupru sau din aluminiu)

Franele cu banda se confectioneaza din benzi de otel late de 40 1500mm (pentru latimi mai mari se utilizeaza benzi duble) si groase de 2 5mm, iar garniturile se executa din ferodon (fig 2.3).

Fie T₁ tensiunea in ramura benzii care se infasoara pe tambur si T₂ tensiunea in ramura care se desfasoara de pe tambur. Este cunoscuta relatia lui Euler:

T₁ = T₂ e^ma

unde:

T₂ = T₁ - F_t

F_t - forta care actioneaza la periferia tamburului;

a - unghiul de infasurare a benzii (nu mai mic de 270⁰);

m - coeficientul de frecare;

Din relatia (2.8) si (2.9) rezulta:

(2.10)

Pe de alta parte, presiunea maxima dintre banda si tamburul de frana este data de relatia:

, (2.11)

unde:

D_t - diametrul tamburului de franare;

b - latimea benzii; se considera ca b=0,125 D_t (2.12)

Evident ca:

(2.13)

Extragand pe D_t din relatia (2.11) si tinand seama de relatiile (2.10), (2.12) si (2.13), rezulta:

(2.14)

Diametrul rotii cu care se solidarizeaza tamburul de frana rezulta din relatia constructiva

D_r 1,5) D_t (2.15)

Valorile presiunii admisibile "p" de contact se gasesc tabelate. Pentru calculele de verificare trebuie respectata conditia:

(2.16)

Deoarece gabaritele franei sunt cu atat mai mici cu cat momentul de torsiune este mai mic (vezi relatia 2.14), se recomanda ca franele sa se monteze cat mai aproape de motor, adica pe arbori cu turatii mari si momente de torsiune mici (vezi si relatia 2.6).

Verificarea la incalzire se face admitand (p_a v)_a 50 pentru frane, (p_a v)_a 20 pentru ambreajele cu racire rea si (p_a v)_a 30, pentru ambreaje cu racire buna. Gabaritul mic al franei are totusi si un dezavantaj datorita eliminarii mai grele a caldurii.

3.4. Cabluri

Cele mai des raspandite sunt cablurile cu rasucire paralela, sarmele lor tratandu-se termic pentru eliminarea tensiunilor interioare care apar la rasucirea cablului.

Cablurile rasucite crucis rezista mai bine la presiune si nu se desfac sub actiunea sarcinii suspendate liber, ele folosindu-se in cazul infasurarii cablului pe tambur in mai multe straturi. Cablurile se dimensioneaza in functie de tensiunea maxima de calcul.

(2.17)

unde:

T_rup - tensiunea de rupere a cablului (data in catalog)

C - coeficientul de siguranta (in constructiile de macarale, de exemplu, el se ia in functie de raportul minim dintre diametrul "D" al scripetelui, respectiv tamburului, si diametrul "d" al cablului.

3.5. Lanturi

Des raspandite sunt lansurile cu role si lanturile dintate, ele fiind sigure in exploatare, au randament ridicat si se repara usor. Din aceste motive, transmiterea miscarii la senilele masinilor cu greutate pana la 160 tf se face prin lanturi. Lanturile se folosesc la viteze de pana la 12 m/s sau chiar 16 m/s. Pentru reducerea sarcinilor dinamice se micsoreaza dimensiunile rotilor dintate si pasul lantului.