Критерии работоспособности

При конструировании и оценке работоспособности машин на практике решают две основное задачи - анализ и синтез конструкции. Задача анализа предполагает наличие конструкции машины, сведения об используемых материалах, допусках и посадках, условиях работы и т.д. При этом требуется оценить работоспособность машины на различных режимах ее работы, проверить прочность деталей, технологичность изготовления и возможность замены материалов при необходимости, по­рядок сборки, регулировки и ремонта. Задача синтеза предполагает выбор принципиальной схемы и разработку конструкции машины с требу­емыми параметрами. При этом возможна разработка нескольких работос­пособных вариантов конструкции. Предпочтение отдается конструкции экономичной при производстве и простой в эксплуатации, имеющей низ­кую материалоемкость и отвечающую экологическим и эстетическим требованиям. Важнейшими составляющими качества машины являются на­дежность и прочность.

При проектировании новых и модернизации работающих машин, узлов и деталей необходимо учитывать современные достижения в области науки и техники. Требования к проектируемым машинам заключаются в увеличении мощности при тех же габаритах, повышении надежности, производительности и КПД, использовании по воз­можности стандартных деталей и типовых узлов, автоматизации произ­водственных процессов, снижении себестоимости при изготовлении и эксплуатации.

Машиной называют сборочную единицу, предназначенную для преобразования энергии, материалов и информации и способную выпол­нять определенную работу. Машины подразделяются на машины - орудия /грузоподъемные, транспортирующие, ЭВМ и т.п./ и преобразующие энер­гию /электродвигатели, гидромоторы, двигатели внутреннего сгорания и т.п./. Любая машина состоит из отдельных деталей.

Деталью называют изделие или часть его, характеризуемое од­нородностью материала и изготовленное без применения сборочных опе­раций /зубчатое колесо, вал, шкив тормоза и т.п./. Детали объеди­няют в узлы.

Узел представляет собой сборочную единицу, состоящую из отдель­ных деталей и предназначенную для выполнения определенных функций в изделии только совместно с другими сборочными единицами /например вал редуктора с подшипниками и зубчатыми колесами, стрела крана и т.п./. Простые узлы входят в состав сложных узлов.

Агрегат - сборочная единица, обладающая свойствами полной взаимозаменяемости и способная самостоятельно выполнять определен­ную функцию в изделии /редуктор, электродвигатель, тормоз и т.п./.

Механизм - сборочная единица, предназначенная для передачи и преобразования движений одного или нескольких звеньев в требуемое дви­жение исполнительных звеньев и обеспечивающая выполнение рабочего дви­жения машины /механизм подъема, передвижения, поворота подъемного крана и т.п./.

Механизмы разнообразных машин и приборов, например, металлорежу­щего станка, конвейера, крана, прокатного стана и т.д., содержат много похожих по назначению деталей и узлов (винтов, гаек, соединений, передач, валов, опор и т.п.).

Конструированию и расчету деталей и узлов общемашиностроительного применения посвящено настоящее учебное пособие.

Процесс конструирования в значительной степени стандартизован требованиями действующей Единой системы конструкторской документации /ЕСКД/, устанавливающей единый порядок разработки, оформления, согласо­вания, внесения изменений, учета и хранения конструкторской документа­ции во всех отраслях промышленности. Выполнение требований ЕСКД обес­печивает сокращение срока и снижение трудоемкости проектно-конструкторских работ.

Критерий прочности - способность деталей работать без разрушения при действии внешних нагрузок. Различают разрушение деталей вследствие потери статической прочности и сопротивления усталости при действии переменных по времени нагрузок.

Детали машин в процессе эксплуатации подвергаются воздействию постоянных и переменных по времени нагрузок и температур и должны обладать прочностью, т.е. способностью сопротивляться разрушению под действием приложенных к ним внешних нагрузок. Постоянными назы­вают такие нагрузки, которые изменяют свою величину или точку при­ложения с небольшой скоростью. Переменными называют нагрузки, изменяющиеся во времени с большой скоростью (напр. вибрационные или ударные).

На практике прочность деталей чаще всего оценивается с помощью допускаемых напряжений или по коэффициентам запаса прочности. При расчетах предполагается, что материал деталей имеет сплошное /не­прерывное/ строение и обладает во всех точках одинаковыми свойствами.

Наибольшее распространение получил метод расчета по допускаемым напряжениям, при котором сравниваются наибольшие расчетные напряже­ния s_мах в нагруженной детали с допускаемыми напряжениями [s], свойственными данному материалу, с учетом формы и особенностей нагружения детали.

Условие прочности по допускаемому напряжению имеет вид:

s_мах [s].

Расчеты по допускаемым напряжениям наиболее просты, проводятся как предварительные при определении размеров деталей и на­зываются проектировочными.

Расчеты по коэффициентам запаса прочности являются более точными, т.к. позволяют учитывать отдельные факторы, влияющие на прочность /например, размеры детали, ее форму, методы упрочнения и т.д./.

Условие прочности по коэффициенту запаса имеет вид

S= S,

где S - коэффициент запаса прочности; s_пред- предельное напряжение /предел прочности s_в или текучес­ти s_Т – при постоянных нагрузках, или предел выносливости s_-1 - при переменных/; s_мах - максимальное напряжение при наибольшей рабочей нагрузке с учетом конструктивных особенностей детали; [S] – допускаемый коэффициент запаса прочности, задаваемый в каждой отрасли промышленности.

При расчетах деталей из пластичных материалов определяют коэф­фициент запаса по отношению к пределу текучести материала -s_т, a для деталей из хрупких материалов - по отношению к временному сопротивлению -s_в, т.е. пределу прочности.

Расчеты по коэффициентам запаса проводят для сконструированной детали на основе ее рабочего чертежа и называют проверочными. Зна­чения допускаемого коэффициента запаса прочности в общем машинострое­нии ориентировочно рекомендуют принимать: для пластичных материалов [S]= 1,3... 1,6, для хрупких материалов [S] = 2,1...2,5.

Детали машин могут длительное время подвергаться воздействию переменных нагрузок, когда напряжения периодически изменяют свое значение или значение и знак. Циклы изменения напряжений по синусои­дальному закону представлены на рис. 1.1. Время однократной смены напряжений называется периодом - Т.

Рис. 1.1 Циклы напряжений

Цикл напряжений характеризуется совокупностью последовательных значений напряжений за время одного периода при регулярном нагружении, среди которых можно отметить следующие:

s_мах, s_min - максимальное и минимальное напряжения;

s_м = 0,5 / s_мах + s_min / - среднее напряжение;

s_а = 0,5 / s_мах - s_min / - амплитуда напряжений цикла.

При s_min= 0, s_м= s_а=0,5 s_мах - имеем отнулевой цикл напря­жений;

при s_м= 0, s_а = s_мах - имеем симметричный цикл напряжений;

при s_мах=s_min= s_м= s_а - имеем постоянные статические напряжения.

Во всех других случаях циклы напряжений называют асимметричными.

При переменных нагрузках детали разрушаются при напряжениях, меньших предела прочности из-за возникновения микротрещин в зоне концентрации напряжений вследствие наличия проточек, канавок, отверс­тий и т.д. Действующие нагрузки при этом вызывают рост трещин вглубь материала, что приводит к уменьшению поперечного сечения детали, уве­личению напряжений и мгновенному ее разрушению. Такое разрушение на­зывается усталостью материала.

Способность материала воспринимать многократное действие пере­менных напряжений без разрушений называется сопротивлением усталос­ти или выносливостью материала. Характеристики выносливости материалов получают при испытаниях стандартных образцов на специальных машинах. Наиболее простым явля­ется испытание на изгиб при симметричном цикле напряжений. При этом нагружают образцы различными значениями амплитуд напряжений s_и и определяют число циклов N, при котором происходит их разрушение. По результатам испытаний строят кривую усталости /рис. 1.2/. из ко­торой видно, что при некотором значении напряжений образец может выдерживать бесконечное число циклов нагружения. Опыт показывает, что стальной образец, выдерживающий N₀ = 10 циклов, в дальнейшем не разрушается. Напряжение, соответствующее значению N₀,называют пределом выносливости при симметричном цикле и обозначают s_-1.

Рис. 1.2 Кривая усталости

Пределом выносливости называется наибольшее напряжение, при котором образец или деталь может работать без разрушения неограни­ченно долго. Значение предела выносливости определяют из таблиц, либо при­нимают следующие эмпирические соотношения:

s_-1» 0,43 s_в; t_-1» 0,58 s_-1,

где s_в- предел прочности.

На сопротивление усталости оказывают влияние конструктивная форма детали, ее размеры, состояние поверхности, термообработка и другие факторы.

Расчеты на выносливость заключаются в определении коэффициен­тов запаса прочности в опасных сечениях при действии напряжений изгиба или растяжения /коэффициент S /, и под действием напряжений кручения или среза /коэффициент S_t /. При совместном действии переменных нормальных и касательных напряжений общий коэффициент запаса прочности равен

,

где [S]=1,3…2,5 - допускаемый суммарный коэффициент запаса прочности.

При конструировании машин желательно стремиться к выполнению условия равнопрочности отдельных деталей или соединений. Однако, на практике не всегда удается выполнить это требование вследствие особенностей конструкции, способа нагружения и условий эксплуатации.

Критерий жесткости - способность деталей сопротивляться изменению формы под действием приложенных нагрузок.

Требования жесткости конструкции предъявляют ограничение величины упругих деформа­ций деталей в пределах допускаемых для устойчивой работы изделия. Например, при высокой жесткости валов обеспечивается нормальная работа подшипников и требуемое качество зацепления зубчатых колес. Точность изготовления деталей зависит от жесткости станин металлообрабаты­вающих станков.

Критерий износостойкости - сопротивление подвижных сопряжений деталей процессу изнашивания. Изнашивание - процесс постепенного изменения размеров деталей при разрушении поверхностных слоев в результате тре­ния. Износ - это результат изнашивания, при котором увеличиваются зазоры, например, в подшипниках, в зубчатых зацеплениях и т.п.

Науку о трении, смазке и изнашивании механизмов называют трибоникой.

Существуют следующие виды изнашивания в машинах: механическое, молекулярно-механическое и коррозионно-механическое. К механическому относят абразивное изнашивание, т.е. изнашивание в результате режу­щего или царапывающего действия посторонних твердых частиц, находящих­ся между трущимися поверхностями. Интенсивность абразивного изнаши­вания зависит от физико-механических свойств абразива, прочности и твердости материала трущихся поверхностей, действующей нагрузки и состояния смазочного слоя.

Для уменьшения абразивного изнашивания, повышают поверхностную твердость материалов деталей или снижают абразивное воздействие за счет уста­новки уплотнений, качественной смазки и т.д.

К молекулярно - механическому относят изнашивание при схватывании, которое происходит вследствие молекулярных сил при трении. Схватывание проявляется в переносе материала с одной сопряженной детали на другую при разрыве смазочной пленки. Наиболее опасный вид схватывания заключается в местном сваривании трущихся поверхностей, с последующим вырыванием частиц материала с контактирующих поверхностей и образованием наростов, которые задирают трущиеся поверхности.

Для уменьшения изнашивания при схватывании на рабочие поверхности контактирующих деталей наносят защитиные покрытия и окисные пленки, повышают поверхностную твердость, уменьшают контактные напряжения и скорость относительного перемещения.

Коррозионно-механическое изнашивание сопровождается химическим или электролитическим взаимодействием материала со средой, при котором продукты коррозии стираются с поверхностей механическим путем. Для защиты от коррозии применяют коррозионно-устойчивые материалы или покрытия.

Критерий теплостойкости - способность деталей машин сохранять работо­способность и механические характеристики материалов с повышением температуры. Тепловыделение может вызываться рабочими процессами в машинах или трением в узлах механизмов. Повышение температуры сни­жает механические характеристики металлов /особенно характерно это для цветных сплавов/ и сильно влияет на свойства термически обрабо­танных деталей и пластмасс. Повышение температуры до 300...400°С у сталей и до 50...100°С у цветных металлов вызывает явление ползучести, т.е. появление пластических деформаций при постоянной внешней нагрузке.

Расчеты на прочность деталей машин, работающих в условиях, повышенных температур, выполняют по пониженным допускаемым напряжениям, учитывающим фактическую величину рабочей температуры.

Критерий виброустойчивости - способность конструкций работать в задан­ном диапазоне рабочих режимов без возникновения недопустимых колебаний. Обусловленные вибрационными колебаниями динамические усилия на детали суммируются с расчетными рабочими усилиями, что может вызвать разрушение отдельных элементов и при­вести к потере работоспособности изделия. Особенно опасным оказывается совпадение частот вынужденных и собственных колебаний системы и возникновение явления резонанса. Работа машин в режиме резонанса недопустима. При возникновении вибраций работа машины сопровождается шумом, вызываемым соударением взаимно сопряженных движущихся дета­лей. Для борьбы с вибрациями необходимо повышать точность и качество обработки деталей, применять пластичные материалы с повышенным внутренним трением, а также использовать амортизаторы, т.е. демпфирующие устройства или гасители колебаний.

Критерий надежности - свойство изделия, выполнять в течение задан­ного времени свои функции, сохраняя в заданных пределах эксплуатационные показатели. Надежность машин связана с их работоспособ­ностью. Событие, связанное с нарушением работоспособности изделия, называется отказом.

Надежность изделий обуславливается их безотказностью, долговечностью и ремонтопригодностью.

Безотказность - это свойство изделий сохранять работоспособное состояние в течение заданной наработки без вынужденных пере­рывов.

Долговечность - свойство изделий, сохранять работоспособ­ность до предельного состояния с необходимыми перерывами для тех­нического обслуживания и ремонта.

Надежность машин и механизмов зависит от качества изготовления и от запасов по основным критериям работоспособности.