Основные критерии работоспособности и расчёта деталей машин
5. Основные критерии работоспособности и расчёта деталей машин.
Работоспособность определяется по нескольким критериям:
1.прочность
2.жёсткость
3.износостойкость
4.теплостойкость
5.виброустойчивость
6.надёжность.
Значение того или иного критерия для данной детали зависит от её функционального назначения и условий работы. При конструировании деталей их работоспособность обеспечивают в основном выбором соответствующего материала, рациональной конструктивной формой и расчётом размеров по одному или нескольким критериям.
Рекомендуемые материалы
Прочность - главный критерий работоспособности большинства деталей. Различают разрушение деталей вследствие потери статической прочности или сопротивления усталости. Потеря статической прочности происходит тогда, когда значение рабочих напряжений превышает предел статической прочности (например, σв). Потеря сопротивления усталости происходит в результате длительного действия переменных напряжений, превышающих предел выносливости материала ( например, σ-1).
Задача обеспечения необходимой прочностью состоит в том, чтобы определить размеры и формы деталей, исключающая возможность возникновения недопустимо большой остаточной деформации, преждевременных поломок и поверхностных разрушений.
Прочность оценивается сравнением расчетных напряжений с допускаемыми:
.
Жёсткость характеризуется изменением размеров и форм детали под нагрузкой. Расчёт на жёсткость предусматривает ограничение упругих перемещений детали в пределах, допустимых для конкретных условий работы: условия работы сопряжённых деталей (например, качество зацепления зубчатых колёс и условия работы подшипников ухудшаются при больших прогибах валов); технологические условия. Нормы жёсткости деталей устанавливают на основе практики эксплуатации и расчётов.
Требования к жесткости деталей машин определяются:
Ø Условиями прочности деталей (в случае опасности неустойчивого равновесия или при ударных нагрузках). Устойчивость – критерий, определяющий размер:
a) Длинных и тонких деталей, работающих на сжатие.
b) Тонких пластин, подверженных сжатию в плоскости пластин.
c) Оболочек, подверженных внешнему давлению.
d) Полок тонкостенных волов.
Ø Условиями работоспособности деталей совместно с сопряженными деталями.
Ø Технологическими условиями.
Для машин массового производства диаметр валов определяется технологическими условиями.
Ø Условиями удовлетворительной работы машины в целом.
Относится к машинам-орудиям. Толщина деталей должна быть идеальной – критерий размеров.
Жесткость деталей машин определяется собственной жесткостью и контактной.
Контактная жесткость – деформация в зоне контакта.
Контакт может быть в условиях:
1) Начального касания точки или по линии (сжатие шаров или цилиндров);
2) Повышения номинальной площади касания.
В обоих случаях деформация происходит с малой фактической площадью касания.
Фактическая площадь касания составляет ничтожную часть от номинальной площади касания.
Контактные деформации в этих случаях определяются с помощью экспериментальных установочных коэффициентов контактной подачи.
Износ – процесс постепенного изменения размеров деталей в результате трения.
Износ ограничивает долговечность деталей по следующим критериям:
ü По потерям точности (приборы, измерительный инструмент, прецизионные станки – очень точные)
ü По снижению КПД, увеличению утечек (цилиндр и поршень двигателя внутреннего сгорания)
ü По уменьшению прочности из-за снижения сечений, изменения состояния поверхности, неравномерного износа опор (вагоны, червячные колеса)
ü По увеличению шума (передача транспортных машин)
ü По полному истиранию (деталь не пригодна к работе).
Виды изнашивания в машинах делят на 3 группы:
1) Механическое (абразивные) – из-за царапания деталей друг другом;
2) Молекулярно-механическое (при схватывании или заедании) – для всех червячных, зубчатых передач и др.;
3) Коррозионно-механическое (продукты коррозии стираются механическим путем).
Интенсивность изнашивания, а следовательно, и срок службы детали зависят от давления, скорости скольжения, коэффициента трения и износостойкости материала.
При сравнительном анализе конструкции для оценки долговечности по износу, а также для распространения результатов эксперимента и опыта эксплуатации на др. условия, принимают расчет в сравнительной форме:
, где Р – давление, S – путь трения, m = 1…3.
Для уменьшения изнашивания широко используют смазку трущихся поверхностей и защиту от загрязнения, применяют антифрикционные материалы, специальные виды ХТО поверхностей и т.д. Изнашивание выводит из строя большое число деталей машин. Оно значительно увеличивает стоимость эксплуатации, вызывая необходимость проведения периодических ремонтных работ. Износостойкость деталей машин существенно уменьшается при наличии коррозии.
Теплостойкость.
Работа машин сопровождается тепловыделением, вызываемая рабочим процессом и трением в механизмах.
В результате тепловыделения могут возникнуть вредные для работы машин явления:
a) Понижение несущей способности деталей, наблюдаемое для остальных деталей при температуре свыше 300 – 400 0С, для деталей из легких пластмасс – свыше 150 – 200 0С. Это связано с понижением прочностных характеристик материалов: σв, σт, σn, σn-1; с охрупчиванием; с ползучестью.
В деталях с заданными постоянными деформациями (затянутые крепежные винты, детали на прессовых посадках) наблюдается самопроизвольное постепенное падение напряжения натяга – релаксация напряжения.
b) Понижение защитной способности масляного слоя, разделяющего трущиеся поверхности.
c) Изменение зазоров подвижных соединений из-за обратимой температурной деформации.
d) Изменение свойств трущихся поверхностей (понижение коэффициента трения в тормозах).
e) Понижение точности машин вследствие обратимой температурной деформации.
Чтобы не допустить вредных последствий перегрева на работу машины, выполняют тепловые расчёты и, если необходимо, вносят соответствующие конструктивные изменения (например, искусственное охлаждение
На точность работы машин влияют:
1) Температурные деформации, вызываемые равномерным нагревом;
2) Температурные деформации, вызываемые неравномерным нагревом.
Виброустойчивость. Вибрации вызывают дополнительные переменные напряжения и, как правило, приводят к усталостному разрушению деталей. В связи с повышением скоростей движения машин опасность вибраций возрастает, поэтому расчёты на колебания приобретают всё большее значение.
Под виброустойчивостью понимают способность конструкции работать в нужном диапазоне режимов без недопустимых колебаний.
В настоящее время применяют:
1) Расчеты частот собственных колебаний, используемые для предотвращения резонанса колебаний, иногда для установления причин колебаний работающих машин.
2) Расчеты амплитуд и устойчивости колебаний.
Эти расчеты производят при автоколебаниях, при вынужденных колебаниях. Они требуют определения энергии.
Автоколебания – источники шума. Шум может быть критерием качества изготовления машин.
Меры борьбы с шумом:
· Повышение точности и чистоты обработки;
· Понижение сил удара конструктивными методами;
· Применение материала с повышенным внутренним трением, применение специальных покрытий и демпферов.
Надёжность – это вероятность безотказной работы в течение заданного срока службы без поломок и внеплановых ремонтов.
Под заданным сроком службы понимают время одного планового ремонта или между плановыми ремонтами. Надежность может определяться для машины в целом, агрегатов, узлов и деталей. Расчет надежности базируется на статистических данных, которые получают испытаниями и наблюдением при эксплуатации. При оценке надежности могут быть выбраны различные показатели:
· Число отказов в работе,
· Срок службы в часах,
· Число километров пробегов и т.д.
Например, имеется 1000 переключателей
1) 
- коэффициент надежности
2) 
Коэффициент надежности сложной детали равен сумме коэффициентов надежности отдельных элементов:
; 
Из формулы следует, что надежность сложного изделия всегда меньше надежности самого ненадежного элемента, поэтому желательно, чтобы машина содержала равнонадежные элементы. Чем больше элементов имеет машина, тем меньше ее надежность, например,
График изменения интенсивности отказов:
λ – интенсивность отказов в единицу времени,
I – период выработки,
II – период нормальной эксплуатации машины.
Число отказов имеет примерно постоянное значение.
Отказы обусловлены постоянными перегрузками и деформациями производства, которые не проявились в процессе производства.
III – период критического износа.
Число отказов резко возрастает (усталость и др. показатели материала возрастают так, что машина ломается) – ремонт машины.
Меры повышения надежности:
ü повышение долговечности изделий;
ü повышение запаса прочности;
ü обеспечение хорошей системой смазки;
В лекции "Понятия связи с общественностью и реклама" также много полезной информации.
ü применение статических определений и самоустанавливающейся системы;
ü если возможны перегрузки, то необходимо применять предохранительные устройства; упругие связи или упругие муфты – при наличии динамических нагрузок;
ü необходимо шире применять стандартные и нормализованные узлы и детали;
ü повышение ремонтопригодности изделий.
При проектировании следует стремиться к равной долговечности.
Надежность – основной признак, свидетельствующий о качестве изделия.
