Работоспособность и надежность деталей

Машины характеризуются определенными критериями. По одному или несколькими из этих критериев ведут расчет, цель которого – определение размеров и материалов деталей машин.

Важнейшие критерии: прочность, жесткость, износостойкость, вибростойкость.

Проиллюстрируем каждый критерий с точки зрения расчета деталей машин.

Расчеты на прочностьведут по номинальным допускаемым напряжениям, по коэффициентам запаса прочности или по вероятности безотказной работы.

Расчеты на прочность по номинальным допускаемым напряжениям наиболее просты и удобны в качестве предварительных. Расчеты на прочность при постоянных напряжениях деталей из пластических материалов обычно производят согласно условию отсутствия общих пластических деформаций, т.е. обеспечивают требуемый коэффициент запаса по отношению к пределу текучести материала. Коэффициенты конструкции напряжений сглаживаются в следствии местных пластических деформаций, не опасных для прочности деталей. Т.е. расчеты на прочность по допускаемым напряжениям выглядят так:

по нормальным напряжениям ;

по касательным напряжениям ,

где - допускаемое нормальное напряжение, равное для пластичных материалов и для хрупких ;

– масштабный фактор;

К_s – эффективный коэффициент концентрации напряжений;

- коэффициенты запаса прочности.

Из курса сопротивления материалов нам известны расчетные зависимости, по условию прочности, для основных видов нагружений деталей:

; ; ; ; ; ;

Расчеты по коэффициентам безопасности (запаса) учитывают в явной форме отдельные факторы, влияющие на прочность; концентрацию напряжений, размеры деталей, упрочнения – поэтому более точны. Вместе с тем эти расчеты сохраняют условность, так как коэффициент запаса вычисляют для некоторых условных характеристик материалов и значений нагрузок. В большинстве случаев предельные нагрузки пропорциональны напряжениям, поэтому коэффициент запаса можно определить, при постоянной нагрузке:

Для пластичных материалов: ;

Для хрупких материалов: ,

где - приведенное (эквивалентное) напряжение, соответствующей действующим на деталь нагрузкам.

При совместном действии напряжений изгиба (раст.) и кручения общий запас прочности определяется:

→

Наиболее прогрессивным является расчет по вероятности безотказной работы. При статической нагрузке условие нарушения запишется:

,

где - медианные (средние) значения распределения ;

S – среднеквадратичное отклонение.

Среднеквадратичное отклонение определяется:

,

где - среднеквадратичные отклонения ;

U_р – квантиль нормального распределения, соответствующий вероятности не разрушения (Р).

По значению выявляют вероятность не разрушения детали при заданном нагружении. Например, при U_р= -1,282 вероятность не разрушения Р=0,9, а при U_р=-2,326, Р=0,99.

Среднеквадратичное отклонение по пределу текучести определяют: ,

где - коэффициент вариации предела текучести материала деталей.

Выбор коэффициента запаса прочности является весьма ответственной задачей для конструктора. Коэффициент запаса прежде всего зависит от критерия прочности и характеристики материала, по отношению к которой назначается запас прочности.

Коэффициент запаса по отклонению к временному сопротивлению даже при постоянных напряжениях в условиях хрупкой прочности выбирают довольно большими, для серого чугуна порядка 3 и выше..

Коэффициент запаса по отношению к пределу текучести материала при расчете деталей из пластинчатых материалов, под действием постоянных напряжений выбирают минимальным при достаточно точных расчетах, т.е. 1,3…1,5.

Расчеты на прочность деталей машин при переменных напряжениях обеспечивает требуемый запас прочности по отношению к пределу выносливости. Зависят расчет на прочность от амплитуды изменения напряжений. В курсе «Детали машин» используются две группы нагружения деталей машин:

1. с постоянной амплитудой изменения напряжения и с переменной амплитудой и базируется на кривых усталости.

2.

Приведем характерные виды нагружения деталей машин с постоянной амплитудой изменения напряжений.

1. Отнулевой цикл нагружения

;

;

,

где - среднее значение напряжений (постоянные составляющие напряжений);

- амплитуда напряжений;

R – характеристика цикла нагружений.

2. Знакопеременный симметричный цикл нагружения.

;

.

3. Знакопеременный ассиметричный цикл нагружения

, , .

При расчете на выносливость (прочность) по подпускаемым напряжениям при симметричном цикле нагружения:

,

где - предел выносливости при симметричном цикле нагружения;

- предел выносливости образца;

S_-1 – коэффициент запаса выносливости.

При отнулевом (пульсирующем) цикле нагружения:

;

где - допускаемое напряжение при статическом напряжении;

- предел выносливости при отнулевом цикле нагружения.

При ассиметричном цикле нагружения:

.

Предел выносливости образца определяется по зависимости:

,

где - предел выносливости материала;

- суммарный коэффициент, учитывающий влияние всех факторов на выносливость.

,

где - эффективный коэффициент концентрации напряжений;

- коэффициент влияния шероховатости;

Е – коэффициент влияния размеров;

K_v – коэффициент влияния упрочнений поверхности.

При расчете на выносливость по коэффициентам запаса:

,

где - коэффициент запаса выносливости по нормальным напряжениям.

,

где - коэффициент чувствительности материала к ассиметрии цикла.

И по касательным напряжениям:

.

Коэффициент запаса по пределу выносливости несмотря на опасный характер разрушения, выбирают относительно небольшими, т.е. 1,5…2,5. Это связано с тем, что единичные перегрузки не приводят к разрушению.

Расчет на выносливость с переменной амплитудой напряжений проводят на основании кривой усталости:

,

где - ограниченный предел выносливости;

- число циклов при ограниченном пределе выносливости;

- длительный предел выносливости;

- базовое число циклов нагружения;

m – показатель степени кривой усталости, принимают при расчете валов m=9; при расчете на изгиб зуба с НВ>350, m=9; при НВ<350 - m=6 и при расчете на контактное напряжение m=6.

Из приведенного выше уравнения находим формулу для определения допускаемых напряжений:

, или ,

где Z_N – коэффициент долговечности (Z_N≥1).

Одним из наиболее общих условий конструирования машин является условие равнопрочности. Очевидно, что нет необходимости конструировать отдельные элементы машины с излишними запасами несущей способности, которые все равно не могут быть реализованы в связи с выходом конструкции из строя из-за разрушения или повреждения других элементов.

Жесткость, т.е. способность деталей сопротивляться изменению формы под действием сил, является, наряду с прочностью, одним из важнейших критериев работоспособности машины.

Актуальность критерия жесткости непрерывно возрастает, так как совершенствование материалов происходит в направлении повышения их прочностных характеристик, а модули упругости повышаются при этом незначительно или остаются постоянными

Требования к жесткости деталей машин определяются:

1. Условиями прочности детали – при неустойчивом равновесии, при ударных нагрузках.

2. Условиями работоспособности детали совместно с сопряженными деталями, например, жесткость валов определяет работу подшипников, а также зубчатых и других передач.

3. Условиями динамической устойчивости.

Жесткость деталей машин приближенно определяется собственной жесткостью деталей, рассматриваемых как брусья, пластины или оболочки. Условие жесткости по изгибным напряжениям записываются в виде:

и у≤[ у ],

где - угол наклона упругой линии детали;

у – прогиб детали.

Условия жесткости по напряжениям кручения

, где – угол закручивания сечения вала.

Износостойкость. Большинство деталей машин выходит из строя в следствии износа.

Изнашивание – процесс постепенного изменения размеров деталей машин в результате трения. Изменение размеров снижает качественные характеристики механизмов, мощность, К.П.Д., надежность, точность.

Интенсивность изнашивания, а следовательно и срок службы детали зависят от давления, скорости скольжения, коэффициента трения и износостойкости материала. Основным видов расчетов по износостойкости будет:

Р≤[Р] и РV≤[РV] (P^mS=const),

т.е. расчет по допускаемым давлениям и по произведению давления на скорость скольжения (например, для подшипников скольжения).

Следует отметить, что изнашивание выводит из строя большое число деталей машин. Оно значительно увеличивает стоимость эксплуатации, вызывая необходимость проведения периодических ремонтных работ. Для многих машин затраты на ремонт и техническое обслуживание в связи с изнашиванием в несколько раз превышают стоимость новой машины.

Теплостойкость. Нагрев деталей машин может вызвать следующие вредные последствия: понижение прочности материалов 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. Чтобы не допустить вредных последствий перегрева на работу машины, выполняют тепловые расчеты и, если необходимо, вносят конструктивные изменения. Тепловой расчет выполняют из условия теплового баланса, т.е. тепло выработанное в зоне трения (W) должно быть равно теплу, отданному (W₁).

W=W₁.

Такие расчеты выполняют для червячных передач, подшипников скольжения.

Вибростойкость. Вибрации вызывают дополнительные переменные напряжения и, как правило, приводят к усталостному разрушению деталей. В некоторых случаях вибрации снижают качество работы машин. Особенно опасным являются резонансные колебания. В связи с повышением скорости движения машин опасность вибрации возрастает, поэтому расчеты на колебания приобретают все большее значение.

Примером расчета на вибростойкость может служить расчет вала:

,

где f – основная частота собственных колебаний валов;

m_i – массы, кг, насаженных на вал деталей и отдельных участков вала;

у_i - прогибы, м от всей нагрузки, Н.

Материалы. Выбор материалов для деталей машин является ответственным этапом проектирования. Правильно выбранный материал в незначительной мере определяет качество детали и машины в целом.

Выбирая материал, учитывают, в основном, следующие факторы: соответствие свойств материала главному критерию работоспособности; требования к массе и габаритам детали и машины в целом; другие требования, связанные с назначением детали и условиями ее эксплуатации; соответствие технологических свойств материала конструктивной форме и намеченному способу обработки детали; стоимость и дефицитность материала.

Черные металлы, подразделяются на чугуны и стали, имеют наибольшее распространение. Это объясняется, прежде всего, их высокой прочностью и жесткостью, а также невысокой стоимостью.

Например: СЧ-15, СТ 3, Сталь 45, Сталь 40хВГ.

Основные недостатки черных металлов – большая плотность и слабая коррозионная стойкость.

Цветные металлы – медь, цинк, свинец, олово, алюминий – применяют, главным образом, в качестве составных частей сплавов (бронз, латуней, баббитов, дюралюминий). Эти металлы значительно дороже черных и используются для выполнения особых требований: легкости, антифрикционности, антикоррозийности и т.д. Например, Бр ОНФ 10-1-11, Л59, Б16, D16.

Неметаллические материалы – дерево, резина, кожа, металлокерамика.

Пластмассы – сравнительно новые материалы, применение которых все более расширяется. Пластмассы обладают ценными свойствами: легкостью, прочностью, теплом и электроизоляцией, стойкостью против агрессивных средств, фрикционностью или антифрикционностью. Пластмассы технологичны. Широкое применение пластмасс снижает трудоемкость изготовления деталей в 5…6 раз, а себестоимость – в 2-6 раз. Например, текстолит, тетикакс, стеклопласты и.т..

Порошковые материалы получают методом порошковой металлургии, при этом получают материалы с различными механическими и физическими свойствами (высокопрочностью, износостойкостью). В машиностроении наибольшее распространение получили детали на основе железного порошка. Детали, полученные методом порошковой металлургии не нуждаются в последующей обработке резанием, что весьма эффективно при массовом производстве.

СОЕДИНЕНИЯ

Детали, составляющие машину, связаны между собой тем или иным способом. Эти связи можно разделить на подвижные и неподвижные.

Неподвижные связи в технике называют соединениями. По признаку разъемности все виды соединения делятся на разъемные и неразъемные.

Разъемные – резьбовые, шлифтовые, клеммовые, шпоночные, шлицевые и профильные. Неразъемные – заклепочные, сварные и соединения с натягом.

Основным критерием работоспособности и расчета соединений является прочность.