Масса и металлоемкость конструкций

Масса и металлоемкость конструкций

Масса имеет наибольшее значение в транспортном машиностроении, особенно в авиации, где каждый лишний килограмм уменьшает полезную грузоподъемность, скорость и дальность действия. В общем машиностроении уменьшение массы машин означает снижение расхода металла и стоимости изготовления.

Наибольшие возможности экономии металла заложены в снижении массы изделий массового выпуска. Это не освобождает от необходимости добиваться снижения массы машин единичного и малого выпуска, поскольку суммарный их выпуск составляет значительную долю всей машиностроительной продукции.

Следует оговориться, что уменьшение массы конструкции не является безусловной самоцелью. Расходы на материал составляют в общем небольшую часть стоимости машин и очень мало влияют на экономический эффект за все время эксплуатации машины, который зависит главным образом от надежности машины. Если уменьшение массы сопряжено с опасностью уменьшения надежности машины, то целесообразно, особенно в общем машиностроении, сдержать тенденцию к снижению массы. Лучше иметь несколько более тяжелую машину, но надежную.

Сравнительные качества машин одинакового назначения оценивают показателем удельной массы, представляющей собой частное от деления массы m машины на основной параметр машины.

Для машин-генераторов основной показатель — удельная масса

Удельная масса

где N — мощность агрегата.

Этот показатель учитывает степень конструктивного совершенства машины, а также степень применения легких сплавов и неметаллических материалов.

У двигателей внутреннего сгорания удельная масса имеет следующую величину: для стационарных 10—20, судовых 4—10, автомобильных 2,5—9,5, авиационных 0,7—1,0 кг/кВт.

В транспортном машиностроении для характеристики качества конструкции применяют отношение массы конструкции к полезному грузу. Этот показатель для судового транспорта равен 20—30, железнодорожного 10—20, автотранспорта 3—5 и для самолетов 1,2—2,5. Качество конструкции металлорежущих станков оценивают отношением массы станка к номинальной мощности приводного двигателя (показатель невыразительный, потому что он не учитывает степень использования номинальной мощности, а также производительность станка).

Совершенство конструкции редукторов характеризуют отношением их массы к передаваемому крутящему моменту или к произведению передаваемой мощности на передаточное число (степень редукции).

От понятия «масса» следует отличать понятие металлоемкости. Они не равнозначны.

Пусть две машины одинаковых размеров и с одинаковыми параметрами изготовлены одна преимущественно из стали и чугуна, а другая — из легких сплавов (алюминиевых). Очевидно масса второй машины меньше массы первой приблизительно во столько раз, во сколько раз плотность тяжелых материалов больше плотности легких (в данном случае приблизительно в 2 раза). Металлоемкость, рассматриваемая как количество вложенного в машину металла, у них одинаковая.

Металлоемкость лучше всего выражать объемом металлических деталей, составляющих машину. Тогда наряду с удельной массой следует ввести показатель удельной металлоемкости, как частное от деления объема металлических деталей на основной параметр машины. Значение этого показателя далеко выходит за пределы оценки экономии металлов, осуществленной в машине. Самое важное, что он характеризует и притом гораздо вернее, чем удельная масса, качество конструкции, т. е. рациональность ее схемы и совершенство форм деталей, независимо от плотности использованных материалов.

Так как машины обычно изготовляют из металлов с различной плотностью, то в общем случае показатель удельной металлоемкости имеет вид

Показатель удельной металлоемкости

где ∑m1, ∑m2 — суммарные массы деталей, изготовленных соответственно из материалов плотностью γ1, γ2, …, N — основной параметр машины.

Обратную величину N/V можно назвать коэффициентом использования объема.

Уменьшения массы с параллельным снижением металлоемкости добиваются приданием деталям рациональных сечений и форм, целесообразным использованием прочности материалов. применением прочных материалов, рациональных конструктивных схем, устранением излишних запасов прочности, заменой металлов неметаллическими материалами.