Основные критерии работоспособности и расчета деталей машин
1.4. Основные критерии работоспособности и расчета деталей машин
Работоспособность деталей оценивается по критериям работоспособности. Основные критерии работоспособности и расчета деталей машин:
- прочность;
- жесткость;
- износостойкость;
- коррозионная стойкость;
- теплостойкость;
- виброустойчивость.
Значение того или иного критерия для данной детали зависит от ее функционального назначения и условий работы. Например, для крепежных винтов главным критерием является прочность, а для винтов резьбовых передач - износостойкость. При конструктировании деталей их работоспособность обеспечивают в основном выбором соответствующего материала, рациональной конструктивной формой и расчетом размеров по главным критериям. Работоспособностью называют такое состояние деталей, при котором они способны нормально выполнять заданные функции с параметрами, установленными нормативно-технической документацией (стандартами, техническими условиями и т. п.).
Рекомендуемые материалы
1.4.1 Прочность
Прочность – главный критерий работоспособности большинства деталей, характеризующий длительную и надежную работу машин. Этим критерием оценивают способность детали сопротивляться разрушению или пластическому деформированию под действием приложенных к ней нагрузок. Основы расчетов на прочность изучают в курсе «Сопротивление материалов». В курсе «Детали машин» общие законы расчетов на прочность рассматривают применительно к конкретной детали и придают им вид инженерных расчетов.
Различают разрушение деталей вследствие потери статической прочности или сопротивления усталости. Потеря статической прочности происходит тогда, когда рабочее напряжение превышает предел статической прочности материала (например, σв). Это связано обычно со случайными перегрузками, не учтенными при расчетах, или со скрытыми дефектами деталей (раковины, трещины и т. п.). Потеря сопротивления усталости происходит в результате Длительного действия переменных напряжений, превышающих предел выносливости материала (например, σ-1). Сопротивление
усталости значительно понижается при наличии концентраторов напряжений, связанных с конструктивной формой детали (галтели, канавки и т. п.) или с дефектами производства (царапины, трещины и пр.).
Основы расчетов на прочность изучают в курсе сопротивления материалов. В курсе «Детали машин» общие методы расчетов на прочность рассматривают в приложении к конкретным деталям и придают им форму инженерных расчетов.
Прочность деталей машин (особенно при переменной внешней нагрузке) зависит от концентрации напряжений, а также от физико-механического состояния поверхностного слоя (остаточных напряжений и других факторов). Основной метод расчета деталей на прочность – это расчет по опасной точке, называемый также расчетом по допускаемым напряжениям. Напомним, что при расчете по опасной точке нарушением условия прочности считают достижение расчетным напряжением предельного значения хотя бы в одной точке конструкции.
При расчете по рассматриваемому методу условие прочности при статическом иагружении:
n = σпред / σ ≥ [n], (1.1)
где σпред – предельное напряжение; σ – расчетное напряжение в опасной точке (в общем случае при неодноосиом напряженном состоянии – эквивалентное напряжение, определенное по одной из гипотез прочности); п – действительный (расчетный) коэффициент запаса прочности; [n] – требуемый (допустимый) коэффициент запаса прочности.
Взамен условия прочности (1.1) часто пользуются условием
σ ≤ [σ], (1.2)
где [σ] = σ пред / [n] – допустимое напряжение.
При расчетах на кручение (при чистом сдвиге) и при условных расчетах на срез обычно известны τ пред и соответственно τ к или τ ср, и условие прочности записывают аналогично (1.1) или (1.2)
n = τ пред / τ ср ≥ [n]
или τ к < [τ к]; τ ср < [τ ср].
Назначение требуемого коэффициента запаса прочности или, что практически то же самое, выбор допустимого напряжения представляет собой очень ответственную и сложную задачу, правильное решение которой в значительной степени определяет возможность получения при проектировании надежных и в то же время легких и экономичных конструкций. Требуемый (допустимый) коэффициент запаса прочности [n] зависит от ряда факторов, основные из которых следующие: точность применяемых методов расчета и расчетных схем, правильность учета действующих на деталь нагрузок и характера их приложения (статические, ударные и т. п.), точность данных о концентрации напряжения, степень ответственности детали, степень однородности применяемого материала, изученность его свойств.
1.4.2. Жесткость
Жесткость характеризуется изменением размеров и формы детали под нагрузкой. Расчет на жесткость предусматривает ограничение упругих перемещении деталей в пределах, допустимых для конкретных условий работы. Такими условиями могут быть условия работы сопряженных деталей (например, качество зацепления зубчатых колес
и условия работы подшипников ухудшаются при больших прогибах валов) и технологические условия (например, точность и производительность обработки на металлорежущих станках в значительной степени определяются жесткостью станка и обрабатываемой детали).
Нормы жесткости деталей устанавливают на основе практики эксплуатации и расчетов. Значение расчетов на жесткость возрастает в связи с широким внедрением высокопрочных сталей, у которых увеличиваются характеристики прочности, а модуль упругости Е (характеристика жесткости) остается почти неизменным. При этом чаще встречаются случаи, когда размеры, полученные из расчета на прочность, оказываются недостаточными по жесткости.
1.4.3 Изнашивание
Изнашивание – процесс постепенного изменения размеров деталей в результате трения. При этом увеличиваются зазоры в подшипниках, в направляющих, в зубчатых зацеплениях, в цилиндрах поршневых машин и т. п. Увеличение зазоров снижает качественные характеристики механизмов – мощность, КПД, надежность, точность и пр. Детали, изношенные больше нормы, бракуют и заменяют при ремонте. Несвоевременный ремонт приводит к поломке машины, а в некоторых случаях и к аварии.
Установлено, что при современном уровне техники 85–90% машин выходит из строя в результате изнашивания и только 10–15% по другим причинам. Изнашивание увеличивает стоимость эксплуатации, вызывая необходимость проведения дорогих ремонтных работ. Высокая стоимость ремонта обусловлена значительными затратами ручного высококвалифицированного труда, который трудно механизировать и автоматизировать.
Для многих типов машин за период их эксплуатации затраты на ремонты и техническое обслуживание в связи с изнашиванием в несколько раз превышают стоимость новой машины. Этим объясняется большое внимание, которое уделяют в настоящее время трибонике – науке о трении, смазке и изнашивании механизмов.
Задача машиностроения – выпускать машины, не требующие капитального ремонта за весь период эксплуатации. Текущие ремонты должны быть простыми и нетрудоемкими. Одно из направлений развития машиностроения – разработка конструкций, в которых осуществляется так называемое жидкостное трение. При жидкостном трении поверхности деталей разделены тонким масляным слоем. Они непосредственно не соприкасаются, а следовательно, и не изнашиваются, коэффициент трения становится очень малым (< 0,005). Для образования режима жидкостного трения, например в подшипниках скольжения, необходимо соответствующее сочетание нагрузки, частоты вращения и вязкости масла. Основоположником жидкостного трения является Н. П. Петров, который опубликовал свои исследования в 1883 г. В дальнейшем эта теория получила развитие в трудах многих отечественных и зарубежных ученых. Теперь мы можем выполнять расчеты режима жидкостного трения. Однако жидкостное трение можно обеспечить далеко не во всех узлах трения. Кроме соблюдения определенных числовых значений упомянутых выше факторов оно требует непрерывной подачи чистого масла, свободного от абразивных частиц. Обычно это достигается при циркуляционной системе смазки с насосами и фильтрами. Там, где жидкостное трение обеспечить не удается, используют другое направление – применение для узлов трения таких материалов и таких систем смазки, при которых они будут износостойкими.
В области механики трения получает развитие явление избирательного переноса, позволяющее создавать практически безызносные трущиеся пары с малым коэффициентом трения и высоким КПД. Избирательный перенос – физико-химический процесс, происходящий в среде поверхностей трения и смазки, в результате которого на поверхности трения образуется защитная металлическая пленка. Эта пленка обладает особой структурой и резко снижает характеристики трения и износа.
Образование металлической защитной пленки может происходить за счет материала, содержащегося в смазке и самих трущихся парах. Например, в паре сталь+медь или ее сплавы (бронза, латунь) пленкообразующим материалом будет медь. Пленкообразующей присадкой смазки для пары сталь+сталь или чугун может быть, например, медный порошок, добавляемый в смазку ЦИА-ТИМ-201.
Избирательный перенос обладает свойством автокомпенсации износа, т. е. защитная пленка хотя и изнашивается (сравнительно мало), но непрерывно восстанавливается. Достижения в области избирательного переноса получили применение в первую очередь в узлах трения, работающих в экстремальных условиях – в вакууме на космических аппаратах, в агрессивных средах химической промышленности и др. Массового применения в машиностроении они пока не получили. Во всех случаях поверхности трения необходимо защищать от загрязнения. При загрязнении все рассмотренные методы защиты от износа становятся малоэффективными.
На современном этапе расчеты на изнашивание отстают от расчетов по другим критериям (прочности, жесткости, виброустойчивости и теплостойкости). Это объясняется тем, что изнашивание является более сложным процессом. Оно зависит от многих факторов, в том числе мало определенных, например таких, как окружающая среда, качество и своевременность обслуживания узлов трения и пр. Для исключения случайного фактора в системе смазки применяют автоматические смазочные системы, которые обслуживают машины по заданной программе без участия человека.
Износостойкость деталей существенно уменьшается при коррозии. Коррозия – процесс постоянного разрушения поверхностных слоев металла в результате окисления. Коррозия является причиной преждевременного разрушения многих конструкций. Из-за коррозии ежегодно теряется до 10% выплавляемого металла. Коррозия особенно опасна для поверхностей трения и деталей, работающих при переменных напряжениях. При этом существенно сокращаются износостойкость и сопротивление усталости.
Для защиты от коррозии применяют антикоррозионные покрытия или изготовляют детали из специальных коррозионно-устойчивых материалов, например нержавеющих сталей и пластмасс. Особое внимание уделяется деталям, работающим в присутствии воды, пара, кислот, щелочей и других агрессивных средах.
Расчетов на долговечность по коррозии нет. Однако, поскольку этот процесс протекает во времени, они могут быть разработаны. Множество случайных факторов, связанных с условиями эксплуатации, затрудняют такие расчеты.
1 Введение - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.
1.4.4 Теплостойкость
Нагрев деталей машин может вызвать следующие вредные последствия: понижение прочности материала и появление ползучести; понижение защищающей способности масляных пленок, а следовательно, увеличение изнашивания деталей; изменение зазоров в сопряженных деталях, которое может привести к заклиниванию или заеданию; понижение точности работы машины (например, прецизионные станки).
Чтобы не допустить вредных последствий перегрева на работу машины, выполняют тепловые расчеты и, если необходимо, вносят соответствующие конструктивные изменения (например, искусственное охлаждение).
1.4.5 Виброустойчивость
Вибрации вызывают дополнительные переменные напряжения и, как правило, приводят к усталостному разрушению деталей. В некоторых случаях вибрации снижают качество работы машин. Например, вибрации в металлорежущих станках снижают точность обработки и ухудшают качество поверхности обрабатываемых деталей. Особенно опасными являются резонансные колебания. Вредное влияние вибраций проявляется также и в увеличении шумовых характеристик механизмов. В связи с повышением скоростей движения машин опасность вибраций возрастает, поэтому расчеты на колебания приобретают все большее значение.
