Файл: Кузнецов В.И. Машиностроительные материалы и технология их обработки.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.04.2024
Просмотров: 53
Скачиваний: 0
Сейчас из-за неоднородности качества металла при расчетах конструкций и деталей запас прочности обыч но закладывают на 200% больше, чем нужно. Метал лурги должны обеспечить высокую однородность ме талла. А это в свою очередь позволит конструкторам закладывать при расчетах гораздо меньший запас проч ности, снизив, таким образом, расход металла не менее
чем на 20% • Располагая высокопрочными конструкционными ма
териалами, конструктор может уменьшать размеры де-' талей, снижать их вес, увеличивая в то же время мощ ность и быстроходность машин, т. е. повышая эффек тивность их работы.
Интересы развития машиностроения и других отрас лей народного хозяйства требуют от инженеров и произ водственников ускоренного решения ряда важных техни ческих проблем. К числу таких проблем относится в nepj вую очередь вопрос об увеличении динамической проч: ности и эксплуатационной долговечности деталей машин и механизмов.
За последние годы появились широкие перспективы повышения прочности материалов, в первую очередь стали, путем особой термомеханической обработки. Есть предположение, что этот метод будет иметь существен ное значение для разрешения задачи получения прочно сти стали в 700 кГ/мм2.
Необходимость в таких высокопрочных сплавах опре деляется развитием современной, прежде всего реактив ной техники и авиации. Для получения таких сплавов нужно, во-первых, обеспечить высокую очистку металлов при их выплавке, во-вторых, вводить в состав сплавов химические элементы в новых комбинациях.
Чистый, плотный металл, почти не содержащий окис лов и газов, можно получать только в результате ва
192
куумной плавки, которая рассматривается как один из основных методов получения высококачественного ме талла.
Большое значение для машиностроения имеет обес печение заданной надежности и долговечности машин и приборов.
Надежность — это |
успешное |
выполнение машиной |
|
или прибором своего |
предназначения |
в условиях экс |
|
плуатации и столь долго, как |
было |
запроектировано. |
Проблема надежности является первостепенной пробле мой, имеющей общегосударственное значение.
Основным показателем надежности большинства ма шин является полноценная выработка их ресурса при минимальных затратах на ремонт.
В разных отраслях народного хозяйства инженерная сущность проблемы надежности различна. В энергетике, например, основное значение имеет обеспеченность снаб жения потребителей электроэнергией со стабильными частотой и напряжением при высоком коэффициенте мощности. Бесперебойность генерирования электроэнер гии на современных тепловых электростанциях зависит от многих причин, начиная с качества подготовки воды
итоплива.
Вметаллургии надежность основных агрегатов зави
сит главным образом от надежности вспомогательного оборудования. Так, перебои в работе загрузочных меха низмов нередко нарушают нормальную работу доменных
печей. .... ;
В химической промышленности недостаточная надеж ность оборудования не только снижает его производи тельность и качество продукции, но и нередко приводит к авариям, остановке производства. Повышенный износ оборудования под действием агрессивной среды при вы соких температурах и давлениях создает возможность
13. В . И . К у з н е ц о в |
1 9 3 |
утечки ядовитых, горючих и взрывоопасных продуктов через сальники насосов и компрессоров, уплотнения в арматуре и соединениях аппаратов и машин с трубо проводами.
Недостаточность надежности многих сельскохозяйст венных машин нередко является одной из причин растя жения сроков выполнения посевных и уборочных работ. Работа машин в тяжелых полевых условиях при боль ших силовых перегрузках, вибрации, ударах, перекосах требует высокой прочности, хорошей защиты их от абра зивного износа и коррозийного разрушения.
В машиностроительном производстве надежность ра боты оборудования не только предопределяет высокое качество изделий, но и является главной предпосылкой эффективности комплексной механизации и автоматиза ции производственных процессов.
Применительно к машинам, аппаратам и приборам надежность наравне с долговечностью является важней шим и решающим показателем качества. Поясним это на примере. Допустим, что речь идет о качестве металло режущего станка, характеризующегося высокими скоро стями резания, значительной степенью автоматизации управления, прекрасной внешней отделкой. Что стоят все эти положительные характеристики станка, если он ра ботает ненадежно, т. е. часто разлаживается и выходит из строя вследствие поломок и повышенного износа де талей, причем в процессе ремонта приходится расходо вать много дорогих и металлоемких сменных частей?
Чем шире оснащается народное хозяйство новой тех никой, тем выше уровень механизации и автоматизации производственных процессов, тем большее значение при обретает надежность машинного парка. В наше время она стала одним из основных критериев эффективности технического прогресса. В чем же заключаются конкрет
194
ные связи, существующие между эффективностью комп лексной механизации и автоматизации, с одной стороны, и надежностью машинного парка — с другой?
Если раньше важнейшие функции управления, конт роля и регулирования машинных систем осуществлял человек, то в наше время все в большей степени они вы полняются автоматически. А это возможно только при достаточно высоком уровне надежности, чтобы исклю чить сколько-нибудь частое и длительное вмешательство человека в процесс, которое может свести на нет весь эффект автоматизации.
Современные механизированные и автоматизирован ные комплексы, как правило, состоят из десятков и со тен взаимосвязанных различных машин, аппаратов и приборов, включающих в свою очередь тысячи различ ных элементов. В свете этой конструктивной сложности и взаимосвязанности с особой отчетливостью видна необ ходимость обеспечения эксплуатационной надежности, с тем чтобы выход из строя одного элемента не парали зовал бы действия всей системы.
Нужно иметь также в виду, что решение этой задачи имеет особо важное значение в характерных для совре менной техники условиях интенсификации процессов в результате роста производственных скоростей, давлений, напряжений, температур, частот и других параметров.
Нельзя забывать и чисто экономические соображе ния: современные машинные системы являются сгуст ком больших материальных ценностей, которые подле жат наиболее полному использованию и во времени и по мощности. Недостаточная отдача машин влечет за собой ухудшение экономических показателей производства.
Долговечность и надежность машин, как свидетель ствует практика многих отечественных предприятий, мо жет быть повышена в результате ряда мероприятий, ко
13* |
195 |
торые могут быть условно подразделены на конструктив ные, технологические, организационно-производственные, эксплуатационные.
Значительные возможности повышения долговечности и надежности машин, аппаратов и приборов сосредоточе ны в руках конструкторов.
Важная роль принадлежит химии. Главной задачей в этой области является всемерное расширение теорети ческих исследований, способствующих разработке новых усовершенствованных технологических процессов и соз данию новых материалов со свойствами, удовлетворяю щими запросы современной техники.
Современная техника уже не удовлетворяется при родными веществами. Она требует создания разнообраз ных синтетических материалов. Нужны искусственные материалы, имеющие прочность металла, свойства дере ва, керамики, а также вещества эластичнее и выносли вее природного каучука. Надо иметь синтетические ма териалы, оптически прозрачные и бесцветные, негорючие, устойчивые к различным химическим веществам, свету и др. Современная химическая промышленность дает в руки человека огромный ассортимент всевозможных ве ществ для практического использования.
За последние годы выявлены новые важные области применения редких и рассеянных элементов. Можно ска зать, что эти элементы как бы заново «открыты» для техники. Например, обнаружены жаропрочные свойства титановых сплавов. До недавнего времени титан считал ся редким элементом, и его можно было найти лишь в некоторых лабораториях в количестве нескольких милли граммов. А теперь титана добывается столько, что ег.о уже не относят больше к редким элементам.
Многие редкие элементы, нашедшие важное промыш ленное применение (например, германий, цирконий, ли-
196
тий, ниобий, тантал, селен), производятся в весьма зна чительных количествах, несмотря на трудности их по лучения.
Применение германия в радиотехнике ознамено вало собой «эру полупроводниковых материалов». На основе селена, теллура, индия, таллия и галлия создают ся новые, очень чувствительные полупроводниковые при боры, а цирконий и бериллий произвели переворот в реакторостроении.
Тем не менее многие редкие элементы остаются все еще малоизученными. И вполне возможно, что установ ление новых областей их применения откроет новые перс пективы развития техники.
Известно, что современная авиационная техника спо собна перейти к скоростям гиперзвуковым, как называ ют скорости, в несколько раз превосходящие скорость звука. Возможность дальнейшего увеличения скорости основана на всестороннем усовершенствовании авиаци онных двигателей, увеличении их мощности и снижении веса. Действительно, мощность силовой установки совре менного самолета достигает нескольких десятков мил лионов джоулей и близка к мощности силовой установ ки современного линкора или авианосца.
Однако для осуществления полета на скорости, пре восходящей в несколько раз скорость звука, недоста точно иметь двигатель большой мощности. Возникают новые трудности, связанные с аэродинамическим нагре вом поверхности самолета.
Аэродинамический нагрев возникает в результате торможения воздуха поверхностями самолета. Можно различать два типа торможения. Первый из них, связан ный с нагревом лобовых поверхностей, возникает вслед ствие того, что молекулы воздуха сталкиваются с этими поверхностями и затормаживаются ими. Это происходит
197
у передних кромок крыльев и оперения, у носовой части фюзеляжа и т. п. Помимо этого, воздух тормозится и на гревается вследствие трения о боковые поверхности са молета. Это явление сопровождается нагревом, немного меньшим нагрева лобовых поверхностей. При скорости полета, близкой двойной скорости звука (2000— 2500км/ч), нагрев поверхности не создает больших труд ностей.
На скоростях, несколько больших двойной скорости звука, нагрев поверхности самолета достигает такого значения, что начинает плавиться органическое стекло окон самолета, а при скорости, превосходящей скорость звука в четыре раза (4000—5000 км/ч), плавится дюр алюминий. Уже при скорости 3000—3500 км/ч дюралю миний теряет 90% прочности, и, следовательно, приме нение дюралюминия для таких самолетов делается не возможным.
Помимо прямого воздействия нагрева на прочность материалов, большое значение имеют неравномерность распределения температур по поверхности самолета и возникающие вследствие этого термические напряжения.
Затруднения, создаваемые аэродинамическим нагре вом, не ограничиваются уменьшением прочности основ ной конструкции самолета. На самолете имеется эки паж, для которого необходимо обеспечить нормальные температурные условия, и ряд приборов, которые могут работать только в узком диапазоне температур.
Трудности, возникающие в результате аэродинамиче ского нагрева, принято называть тепловым барьером.
Имеется существенное различие между звуковым и тепловым барьером. Звуковой барьер действительно раз деляет две области скоростей: дозвуковую и сверхзву ковую. Полет в каждой из этих областей осуществляет ся без особых затруднений. Значительные трудности
198
возникают лишь в узкой области скоростей, близких к скорости звука.
Аэродинамический нагрев становится заметным на больших сверхзвуковых скоростях и возрастает чрезвы чайно быстро с ростом скорости полета. Тепловой барьер не является границей или стеной, которую мож но преодолеть. Трудности, возникающие в результате аэродинамического нагрева, правильнее представить себе в виде горы, которая становится все круче по мере продвижения вверх.
В данное время ведутся изыскания в различных на правлениях. Для самолетов малой продолжительности полета большинство вопросов разрешается применением тепловой изоляции. Ведется работа по применению но вых материалов, в частности сплавов титана. Применяет ся охлаждение воздухом с использованием холодильных турбин.
Весьма существенными показателями в области кос мического ракетостроения является вес спутника. Из вестно, что общий вес многоступенчатой ракеты, необхо димый для вывода спутника на орбиту, должен превос ходить его вес во много раз. Это значит, что общий вес всей системы при ее запуске должен составлять весьма значительную величину. Реактивный двигатель, способ ный оторвать от земли такую огромную массу и поднять ее с ускорением, превосходящим силу тяжести в не сколько раз, должен иметь очень большую силу тяги.
Для полета ракеты в космическое пространство ей необходимо сообщить большую кинетическую энергию. Эту энергию ракета приобретает за счет химической энергии запасенного на ней топлива. Потребное количе ство топлива, как показывают расчеты, в сотни и тысячи раз превосходит вес самой ракеты. Однако невозможно создать конструкцию ракеты, в баках которой вмеща
199