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 т машины на основной параметр машины.
Для машин-генераторов основной показатель — 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 пере хаваемой 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 нз металлов с различной плотностью, то в обшем случае показатель удельной металлоемкости имеет вид
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.
Способы упрочнения материалов
Чугуны
Сверхпрочные материалы
Легкие сплавы
Неметаллические материалы
Удельные показатели прочности