1. ТРЕБОВАНИЯ К ДЕТАЛЯМ, КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ
Основными критериями работоспособности являются:
- прочность;
- жесткость;
- износостойкость;
- теплостойкость;
- виброустойчивость.
Значение того или иного критерия для данной детали зависит от ее назначения и условий работы.
Жесткость – это способность конструкции и ее элементов сопротивляться изменениям формы и размеров. Например, при недостаточной жесткости валов в зубчатой передаче может возникнуть прогиб, который приводит к неравномерности распределения нагрузки по зубьям колес из-за уменьшения площади контакта и заклиниванию подшипников качения из-за перекоса валов (пример см. рис.1.).
Недостаточная жесткость деталей влияет на их взаимное расположение в механизмах, вызывает в подвижных сопряжениях повышенное трение, давление, температуру и др.
Прочность - главный критерий - способность детали сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок. Следует различать прочность материала и прочность детали. Для повышения прочности надо использовать правильный выбор материала и рациональный выбор формы детали. Увеличение размеров - очевидный, но нежелательный путь.
Жесткость - способность детали сопротивляться изменению формы под действием нагрузок.
Износостойкость - способность детали сопротивляться истиранию по поверхности силового контакта с другими деталями. Повышенный износ приводит к изменению формы детали, физико-механических свойств поверхностного слоя.
Меры по предупреждению износа:
а) правильный подбор пар трения;
б) снижение температуры узла трения;
в) обеспечение хорошей смазки;
г) предотвращение попадания частиц износа в зону контакта.
Теплостойкость - способность детали сохранять свои расчетные параметры (геометрические размеры и прочностные характеристики) в условиях повышенных температур. Заметное снижение прочности наступает для черных металлов при t = 350-4000, для цветных - 100-1500. При длительном воздействии нагрузки в условиях повышенных температур наблюдается явление ползучести- непрерывная пластическая деформация при постоянной нагрузке.
Для увеличения теплостойкости используют:
а) материалы с малым коэффициентом линейного расширения;
б) специальные жаропрочные стали.
Виброустойчивость - способность детали работать в заданном режиме движения без недопустимых колебаний.
Надежность - способность детали безусловно работать в течение заданного срока службы.
Кн= 1-Q (1.1.1),
где Кн - коэффициент надежности - вероятность безотказной работы машины,
Q - вероятность отказа детали.
Если машина состоит из n деталей, то Кн = 1- nQ , то есть меньше единицы, чем меньше деталей в машине, тем она более надежная.
2. РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИЙ НА ЖЕСТКОСТЬ
Различают объемную жесткость (брус, пластина, оболочка) и контактную жесткость, т. е. жесткость, связанную с контактными деформациями поверхностных слоев в местах контакта деталей.
Объемная жесткость оценивается коэффициентом жесткости:
Величина обратная жесткости называется податливостью:
Факторы, влияющие на жесткость:
- модуль упругости (Е, G);
- геометрические характеристики сечения детали (площадь, момент инерции и др.);
- вид нагрузки и типы опор.
Методы повышения жесткости:
- устранение изгиба (т.к. металлы лучше работают (воспринимают) растяжение-сжатие);
- рациональное расположение и изменение количества опор (что приводит к уменьшению прогиба и плеч изгибающих моментов);
- выбор рациональной формы поперечного сечения детали;
- применение в конструкции ребер жесткости (что приводит к изменению геометрических характеристик сечения деталей);
- уменьшение числа стыков (монолитная конструкция обладает большей жесткостью, чем конструкция аналогичного объема, изготовленная с помощью сборочных операций (сварки, свинчивания и т.д.));
- повышение качества поверхности (использование деталей с низкой шероховатостью).
Расчеты на жесткость сводятся к проверкам:
Расчет ведется методами сопротивления материалов.
Виброустойчивость – способность конструкции работать в диапазоне режимов, достаточно далеких от области резонанса (резонанс - совпадение или кратность частоты вынужденных колебаний и частоты собственных колебаний).
Вибрации снижают качество работы машин, увеличивают шум, усиливают изнашивание, вызывают дополнительные переменные напряжения в деталях и усталостное разрушение.
Расчеты на виброустойчивость сводятся к определению частот собственных колебаний механической системы и обеспечению их несовпадения с частотой вынужденных колебаний.
Для снижения колебаний:
- используют маховики и демпферы, рассеивающие энергию колебаний;
- устранение действия внешних сил (например, дополнительных колебаний, вызванных эксплуатируемым в непосредственной близости оборудованием);
- изменение жесткости упругой связи деталей;
- уменьшение шероховатости;
- применение упругих прокладок.
Теплостойкость – способность конструкции работать в пределах заданных температур в течение заданного срока службы.
Нагрев деталей в процессе работы машины приводит к:
- уменьшению зазоров в подвижных сопряжениях деталей, что приводит к схватыванию, заеданию, заклиниванию;
- снижению вязкости масла (т. е ухудшаются смазочные свойства масляного слоя).
Для обеспечения нормального теплового режима работы должен быть обеспечен тепловой баланс, т. е. сравнивают количество выделенной теплоты с количеством отведенной теплоты в единицу времени:
Если условия не выполняются, то применяют:
- искусственное охлаждение,
- проектируют охлаждающие ребра,
- увеличивают размеры корпуса;
- заменяют пары скольжения парами качения;
- применяют материалы с малым коэффициентом линейного расширения.
Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию. Изнашивание - процесс разрушения и отделения материала с поверхности тела при трении, который приводит к постепенному изменению размеров и формы. До 90% деталей подвижных сопряжений машин выходят из строя из-за износа.
- абразивное изнашивание. Это разрушение поверхностных слоев материала трущихся пар твердыми абразивными частицами. Зерна абразива могут попадать на трущиеся поверхности извне, содержаться в материале трущихся пар или в продуктах износа. Методы борьбы: упрочнение поверхностей;
- водородное изнашивание. При работе узлы трения нагреваются, идет выделение водорода, который оседает на поверхности материала и проникает вглубь детали, вызывая охрупчивание, множество микротрещин и образование мелкодисперсного порошка материала. Методы борьбы: использовать стали легированные хромом, титаном, ванадием; снижение температуры в зоне контакта;
- молекулярно-механическое изнашивание. При больших давлениях происходит разрушение защитных масляных пленок на поверхностях сопряженных деталей. Отдельные участки поверхности могут вступить в молекулярный контакт. Происходит схватывание, а последующее перемещение поверхностей вызывает разрушение мест соединений (возникают задиры и борозды). Методы борьбы: повышение твердости за счет термообработки, использование специальных смазок, применение покрытий;
- коррозионно-механическоеизнашивание (фреттинг-коррозия). Разрушение поверхности происходит под действием двух одновременных процессов: коррозии и механического изнашивания. Возникает при очень малых относительных перемещениях (колебаниях) сопряженных поверхностей, при этом происходит разрушение оксидных пленок, образуются ямки и порошок. Продукты износа не удаляются из зоны контакта и превращаются в абразивные частицы. Методы борьбы: уменьшение относительных смещений, поверхностное упрочнение, гальванопокрытия, напыление.
Износ вызывает:
- потери точности;
- снижение КПД;
- увеличение шума;
- увеличение вибрации;
- увеличение зазоров.
Меры борьбы с изнашиванием:
- замена сухого трения жидкостным (хорошее смазывание);
- увеличение твердости (например, закалка снижает износ в 2 раза) и чистоты обработки поверхностей;
- подбор материалов трущихся пар (например, использование антифрикционных материалов).
Прочность – это способность конструкции и ее элементов выдерживать внешние воздействия (нагрузки) без разрушения и появления недопустимых остаточных деформаций. Прочность является важнейшим критерием работоспособности. Ему должны удовлетворять все детали.
Расчеты элементов конструкции на прочность будем осуществлять:
Решение:
1. Воспользуемся формулой для определения действительных напряжений:
2. Определим площадь поперечного сечения:
3. Используя данные формулы определим диаметр стержня:
Для выбора допускаемых коэффициентов запаса прочности в машиностроении пользуются двумя методами: табличным и дифференциальным.
Дифференциальный метод использует формулы, которые учитывают различные факторы, влияющие на прочность рассчитываемой детали:
Методы повышения прочности:
- механическое упрочнение (обкатка роликами, обдувка дробью и др.);
- закалка ТВЧ;
- химическое упрочнение (цементация, азотирование, цианирование);
- термомеханическое упрочнение.
3. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕХАНИЗМОВ, УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Машина – это устройство, выполняющее механическое движение для преобразования энергии, материалов или информации с целью замены или облегчения физического и умственного труда человека.
По функциональному назначению машины делятся на классы:
- энергетические машины,подразделяемые на машины-двигатели – предназначенные для преобразования энергии любого вида в энергию механического движения (двигатели внутреннего сгорания, электродвигатели); машины-генераторы – для преобразования механической энергии в другой вид;
- технологические машины, предназначенные для изменения размеров, формы, свойства или состояния предмета (металлообрабатывающие станки, прессы, машины пищевой, горной, текстильной, полиграфической, химической промышленности и др.);
- транспортные машины, предназначенные для перемещения грузов, людей и изделий. Эти машины подразделяют на транспортные средства (наземные, водные, воздушные, космические) и подъёмно-транспортные машины (подъемные краны, эскалаторы, конвейеры и т. п.);
- информационные машины, предназначенные для получения и преобразования информации. Информационные машины выполняют контрольно-измерительные операции, функции регулирования и управления технологическими процессами.
Машинный агрегат – сочетание машины-двигателя, передаточных механизмов и исполнительного органа. Для согласования работы имеется система управления.
Деталь – это часть машины, изготовленная из однородного по структуре материала без сборочных операций (винт, гайка, шпонка, зубчатое колесо и т. д.).
Сборочная единица (узел) – это законченная составная часть машины, состоящая из ряда деталей, имеющих общее функциональное назначение (подшипник, муфта, редуктор и т. д.).
Детали и узлы общего назначения – это детали и узлы, которые повсеместно встречаются во многих машинах (болты, валы, подшипники, муфты и т. д.).
Детали и узлы специального назначения – это элементы, которые встречаются в одном или нескольких типах машин (коленчатые валы, поршни, шатуны, гребные винты, крылья самолетов, грузозахватные устройства и т.д.).
Детали и узлы общего назначения делятся на три группы:
- соединительные детали и соединения, которые подразделяются на неразъемные (сварные, заклепочные, клеевые и др.) и разъемные соединения (резьбовые, шпоночные, зубчатые и др.);
- передачи вращательного движения (зубчатые, ременные, цепные и др.);
- детали и узлы, обслуживающие передачи (валы, оси, подшипники и др.).
Работоспособность – это состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями техдокументации.
Детали машин выходят из строя по различным причинам, которые определяются условиями эксплуатации.
Причины отказа отдельных деталей (недостаточная прочность, износостойкость, жесткость, теплостойкость, вибростойкость) называют критериями работоспособности, к числу которых относятся: прочность, жесткость, износостойкость, теплостойкость и вибростойкость.
Прочность – способность детали сопротивляться разрушению или возникновению пластических деформации под действием нагрузки.
Прочность является основным критерием работоспособности большинства деталей машин.
Основным методом оценки прочности деталей машин является сравнение расчетных и допускаемых напряжений:
Также используется метод сравнения расчетных и допустимых коэффициентов запаса прочности:
По характеру нагрузки прочность подразделяется на статическую, усталостную и ударную. По виду деформации – на объемную и поверхностную.
Основы расчета на объемную прочность подробно рассматриваются в курсе сопротивления материалов.
