OR

GA

NE

de M

ASI

NI

CU

RSU

L 1

C1 Organe de maini (2014), pag. 1 \

Noiuni fundamentale

1.1. Sistem tehnic, main, organe de maini Secolul al XX-lea a fost caracterizat de progresul vertiginos, de explozia de cunotinte tiinifice i tehnice care marcheaz ascensiunea rapid a omenirii spre cel mai nalt nivel de gndire. La nceput de secol al XXI-lea, n toate ramurile economice sunt prezente progresul tehnic, mecanizarea, automatizarea, informatizarea, robotizarea ale cror ci sunt deschise de cercetarea fundamental i devin utile la nivelul i specificul cerut, prin cerecetarea aplicativ i activitai de dezvoltare. Din punctul de vedere al ingineriei mecanice, maina este: (1) o creaie tehnic artificial, a omului, un complex de corpuri materiale constituite ntr-un sistem tehnic (ansamblu de corpuri care au micari relative determinate (2)) i are ca scop (3): a. transforamarea unei forme de energie n lucru mecanic util cerut sau b. trasformarea unei forme de energie n alt form de energie. Dac scopul este transformarea unei forme de energie n alt form de energie - mainile se numesc maini de lucru (maini-unelte, maini agricole, maini de ridicat i transportat, compresoare, suflante etc). Dac sunt ndeplinite condiiile (1) i (2) sistemul tehnic este un mecanism (scopul su este transmiterea sau transformarea micrilor). Dac micarile sistemului tehnic sunt determinate avem de a face cu o scul.

Fig. 1 Clasificri ale mainilor de lucru a) tehnologice: care modific forma, dimensiunile, proprietile unor materiale, prin procese de prelucrare:

* maini unelte; * maini pentru construcii; * maini agricole; * maini miniere etc. b) maini de ridicat i transportat: macarale, poduri rulante; c) maini de comand (a unor procese); d) maini de calcul; e) maini de control. Ansamblul format din (a+b+a) reprezint o linie tehnologic. Dac aceasta se deplaseaz se numete combin. Agregatele sunt sisteme complexe de maini i mecanisme i (ex. turbin cu aburi + reductor + generator electric). O main poate fi descompus n grupe mari de mecanisme i de piese, cu un rol functional bine determinat n cadrul sistemului tehnic, denumite ansambluri (ex. transmisia sau asiu la un vehicul).

Ansamblurile sunt formate din subansambluri ce au functii subsumate funciei ansamblului. Subansamblurile sunt alctuite din organe de maini (O.M.). O.M. reprezint un subsistem tehnic ce ndeplinete o funciune bine determinat i poate fi studiat, calculat, proiectat i executat separat, izolat. O.M. poate fi simplu - o singur pies (urub, pan etc) sau compus - din mai multe piese (lagre, rulmeni, cuplaje etc). Nici o main nu poate funciona corect, sigur i economic dac elementele, organele ei nu sunt calculate, proiectate, executate, montate i exploatate corespunztor. De aceea este esenial stabilirea unor ipoteze ct mai apropiate de condiiile i cerintele de lucru i aprecierea efectelor lor prin: observaii, colectarea datelor din practic, studii de laborator (pe sisteme reale sau pe modele).

1.2. Clasificri ale organelor de maini

1. Dup construcie: simple (o singur pies) i complexe. 2. Dup frecvena utilizrii sunt: - universale, de uz general (sunt standardizate: STAS, SR, NID, etc.); de ex. uruburi, aibe, pene; - speciale (valuri de laminoare, rotoare de turbin, elice etc.)

3. Dup rolul funcional: - pentru mbinri; - pentru executarea micrii de rotaie (ex. osii); - pentru transmiterea micrii de rotaie (ex. roi dinate); - pentru transformarea micrii de rotaie n translaie

i invers; - pentru conducerea i comanda fluidelor. 4. Dup destinaie:

ENERGIE ENERGIE MECANIC LUCRU

MEC. UTILMOTOR

GENERATOR

OR

GA

NE

de M

ASI

NI

CU

RSU

L 1

C1 Organe de maini (2014), pag. 2 \

- fixe ; - mobile. 5. n funcie de material: - metalice (feroase i neferoase); - nemetalice; - compozite.

1.3. Etapele proiectrii unui organ de main

- Stabilirea funciunii (micare, fore, mediu de

lucru, condiii de solicitare). - Alegerea materialului (inclusiv tratamente termice,

acoperiri etc.). - Stabilirea formei (dup model sau un nou O.M.). - Stabilirea formelor de distrugere. - Stabilirea metodologiei de calcul organologic. - Corelarea cu standardizarea n domeniul respectiv.

- Stabilirea tehnologiei i execuia. - Montajul. - Exploatarea.

1.3.1. Formele de distrugere a organelor de maini se pot mpri n dou mari categorii: forme de distrugere n miez i forme de distrugere n stratul superficial al pieselor. Distrugerile se manifest, n principal, prin:

1. rupere: pe ntreaga seciune:

- rupere static (solicitri statice); - rupere de oboseal (solicitri variabile).

pe o poriune din seciunea piesei: - fisurare static sau de oboseal; - fisurare structural sau tehnologic.

2. deformare elastic, elasto-plastic sau plastic;

3. uzura suprafeelor pieselor n micare relativ (procese tribologice);

4. strivirea suprafeelor: - n contact static, continuu; - cu apsare percutant.

5. coroziune sau atac chimic. 1.3.2. Condiiile pe care trebuie s le indeplineasc un organ de main (sau ansamblu) bine proiectat sunt:

s corespund rolului funcional specific (ca soluie constructiv i ca grad de rspundere n cadrul ansamblului - rezultnd mrimea coeficientului de siguran)

s fie construit dintr-un material corespunztor, din punct de vedere: al rezistenei (mecanice, la uzur, la temperaturi nalte sau joase, la coroziune etc.); economic; tehnologic; ergonomic, ecologic i estetic.

s fie rezistent i rigid (dup caz); s fie durabil i fiabil (conform cerinelor

specifice);

s reziste la solicitri termice (dac este cazul); s reprezinte o soluie constructiv, economic,

tehnologic, estetic care s asigure: * funcionarea ansamblului cu randament ct mai mare; * greutate redus, compactitate; * interschimbabilitate; * montaj raional; * ntreinere i deservire usoar, cu asigurarea proteciei i igienei muncii; * funcionare silenioas i fr vibraii; * respectarea standardelor ct i normalizare, standardizare (norme i standarde de produs); * usurina transportului.

1.4. Delimitarea i coninutul disciplinei Organe de maini (OM)

Rezistena materialelor cerceteaz i elaboreaz metodele generale de calcul, numai sub prisma rezistenei mecanice. Teoria mecanismelor studiaz mecanismul constituit din organe de maini din punct de vedere al legilor cinematice i dinamice, inclusiv determinarea fortelor care actioneaz asupra lor. Studiul organelor de maini cuprinde calculul i proiectarea elementelor componente ale mecanismelor i mainilor, considernd forele i ansamblul conditiilor de exploatare. Se consider posibilitile tehnologice de execuie, montaj i exploatare, innd cont de toate condiiile pe care trebuie s le ndeplineasc organul de main (enumerate mai sus). Disciplina O.M. este caracterizat att de aspecte teoretice ct i aplicative, urmrind asimilarea

Calcul Seciune Form i estetic

Procedee tehnologice

Material

Schema funcional

Rol funcional

Posibilitile ntreprinderii

Mrimea lotului de fabricaie

-rezisten; -deformaii; -vibraii; -nclzire; -durabilitate; -economic; -calcule speciale

Domeniul Rezistenei materialelor

Fig. 2

OR

GA

NE

de M

ASI

NI

CU

RSU

L 1

C1 Organe de maini (2014), pag. 3 \

de cunotine noi (rolul informativ), dar i formarea i dezvoltarea spiritului constructiv, inventiv (rolul formativ).

Calculul i proiectarea O.M. impune gsirea soluiei optime ntr-un complex de condiii date prin considerarea critic a soluiilor existente i gsirea unor soluii noi.

1.5. Materiale utilizate n ingineria mecanic

Principalele grupe de materiale ntlnite n aplicaiile tehnice sunt materialele metalice, materialele ceramice, polimerii, compozitele ct i combinaii ale acestora.

Metalele i aliajele cunoscute sub denumirea

de materiale metalice includ: fierul i aliajele fier-carbon (oelurile i fontele), cuprul i aliajele sale (alame, bronzuri), aluminiul i aliajele sale, nichelul, titanul, magneziul, beriliu, zincul i alte metale ct i aliajele lor, materialele utilizate n sisteme de antifriciune (pe baz de staniu i plumb) etc. Metalele pure n stare structural de echilibru au o rezisten mecanic sczut i de aceea au utilizri rare, justificndu-se dezvoltarea elaborrii de aliaje, prin topirea sau sinterizarea a dou sau mai multe metale cu metaloizi. Materialele metalice se evideniaz prin valorile ridicate ale rezistenei la rupere i ale conductivitii termice.

Materialele ceramice au, n prezent, o

utilizare din ce n ce mai larg datorit creterii solicitrilor termice ale componentelor utilizate n tehnica aerospaial i n energetic, a necesitii realizrii unor scule pentru prelucrri mecanice cu regimuri severe de lucru etc. De asemenea, ceramicele au o larg utilizare n microelectronic i automatizri, n construcii civile i industriale etc.

Materialele ceramice sunt grupate n dou categorii principale: ceramice structurale (nitruri, carburi, oxizi de magneziu, de titan, de zirconiu etc.) i ceramice electronice sau electrotehnice, numite funcionale (titanai i zirconai de plumb, titanat de beriliu, de stroniu etc.).

n comparaie cu materialele metalice, caracteristicile de rezisten ale ceramicelor depind n mai mic msur de temperatur, iar ruperea apare fr deformaii plastice.

n cazul materialelor ceramice se remarc valorile nalte ale modulului de elasticitate longitudinal, E, ct i ale duritii, aceast a doua proprietate prezentnd doar uoare descreteri la temperatur ridicat. Materialele ceramice sunt n general considerate ca fiind foarte fragile, mai ales la

temperaturi joase, avnd o tenacitate sczut. Aceste materiale au o foarte bun rezisten la compresiune, prezentnd ns o comportare critic la solicitrile de traciune i de ncovoiere. Materialele ceramice au o rezisten mult mai mare la coroziune dect materialele metalice (cu excepia metalelor preioase), n majoritatea mediilor corosive, dar au o comportare slab la ocuri i la vibraii.

Pot fi folosite i la realizarea materialelor compozite, n acoperiri de suprafee etc.

Polimerii sunt materiale obinute prin procesul

de polimerizare, care permite crearea unor structuri moleculare mari din molecule organice.

n funcie de modificrile pe care materialele le sufer n timpul formrii la cald (prin presare, injecie, extrudare etc.) se disting trei grupe de polimeri. Materialele termoplastice (sau plastomerii) se

caracterizeaz prin transformri reversibile. Aceste materiale trec n stare plastic sub influena cldurii i a presiunii, fiind ductile i deformabile i cptnd o form rigid prin rcire. Produsele finite din termoplaste pot fi nmuiate sau reformate ori de cte ori este nevoie, n vederea unei noi prelucrri, devenind plastice ori de cte ori sunt nclzite la temperatura de prelucrare, fr a suferi transformri chimice. Materialele termoreactive (sau termorigide, sau

duromeri) se caracterizeaz prin transformri chimice ireversibile care au loc n constituia lor, sub influena cldurii i a presiunii, n timpul formrii prin presare la cald. Prin rcire devin ireversibil rigide. Elastomerii prezint foarte bune capaciti de

deformare elastic, fr schimbri permanente ale formei. Aceste materiale pot suferi deformri repetate, cu alungiri de cel puin dou ori mai mari dect lungimea iniial, revenind, dup ncetarea solicitrii, aproximativ la lungimea iniial. Din aceast categorie fac parte cauciucurile naturale i sintetice.

Polimerii se deosebesc de celelalte materiale prin densitatea lor mic, rezisten mecanic redus, conductivitate termic i electric sczut. Adaosurile de ageni de ntrire, de materiale de umplere i de ali modificatori pot schimba semnificativ proprietile

OR

GA

NE

de M

ASI

NI

CU

RSU

L 1

C1 Organe de maini (2014), pag. 4 \

polimerilor. Proprietile lor pot fi mbuntite i prin elaborarea de materiale compozite.

Dintre materialele termoplaste, o utilizare mare o au polimerii fluorurai, cum sunt politetrafluoretilena (PTFE) i policlortrifluoretilena (PCTFE), care se remarc prin caracteristicile antifriciune bune. Dintre materialele termorigide pot fi evideniate rinile epoxidice, care, n ciuda preului uneori destul de mare, au largi utilizri pentru pri de scule, ca adezivi, compoziii de impregnare, turnare i formare, ct i pentru acoperiri ale suprafeelor (lacuri i emailuri).

Materialele compozite (sau compuse) se pot obine prin asocierea intim a dou sau mai multe materiale nemiscibile, prin diverse procedee tehnologice. Prin combinarea proprietilor specifice ale diferitelor materiale componente, materialele compozite rezultate prezint proprieti noi, n special fizico-mecanice i dielectrice, superioare (uneori chiar de zeci de ori) proprietii corespunztoare a fiecrui component luat separat. De aceea prezint un interes deosebit pentru domenii tehnice de vrf, cum sunt industria aerospaial, industria productoare de autovehicule, industria calculatoarelor i automatica industrial, energetica nuclear etc.

Compozitele sunt materiale eterogene, realizate din dou tipuri de constitueni omogeni: unul sau mai muli ranforsani (sau materiale de ntrire), cu rezisten mecanic ridicat i o matrice, cu rezisten mecanic mai sczut dect a ranforsanilor. Matricea realizeaz legturile ntre ranforsani, menine dispunerea lor geometric, determinnd forma piesei, asigur protecia ranforsanilor fa de agenii agresivi de mediu, transmite i repartizeaz solicitrile la care este supus piesa. Ranforsanii determin caracteristicile de rezisten mecanic ridicat.

n figura 3a se prezint modurile posibile de asociere a materialelor pentru obinerea de materiale

compozite. n compozite pot fi asociate: metal cu metal, cu ceramic sau cu polimer; ceramic cu polimer sau cu ceramic; polimer cu polimer. Fiecare dintre constitueni poate fi matrice sau ranforsant.

Dup forma materialelor participante la

realizarea compozitului se disting trei grupe principale (fig. 3b):

(a) materiale compozite cu fibre (de exemplu, compozite cu fibre de sticl i/sau fibre de carbon ncorporate n polimeri sau rini sintetice, compozite cu fibre de bor sau fibre de carbur de siliciu n matrice de aluminiu, compozite cu fibre ceramice n matrice metalic etc.);

(b) materiale compozite cu particule (de exemplu, aliajele dure sinterizate, betonul etc.);

(c) materiale compozite structurate (lami-nate sau stratificate, de exemplu: bimetalele, lemnul nalt densificat stratificat etc.).

Fig. 3a Combinaii de constitueni n materiale compozite.

(a) (b) (c)

Fig. 3b. Tipuri de materiale compozite.