Прочность и жесткость

Критерии работоспособности деталей машин и влияющие на них факторы

Износостойкость

Износ – результат постепенного разрушения поверхности детали при трении, изменяющего форму и размеры детали.

Картину износа можно представить следующей диаграммой (рис. 3.1). Износ характеризуется количеством материала Q, истираемого в единицу времени.

Скорость износа постепенно уменьшается и принимает постоянное значение. После длительной работы деталей износ начинает катастрофически возрастать, вследствие длительного постепенного износа.

Рис. 1 Кинетика износа детали, работающей в условиях трения

Изнашивание пропорционально удельному давлению и скорости V. Обычно, , а

При проектировании деталей для предотвращения износа должны удовлетворяться эти приведенные выше условия.

Допустимый износ в условиях эксплуатации определяется:

- по потере точности;

- по увеличению потерь (снижается КПД);

- по возрастанию шума;

- по снижению прочности;

- по полному истиранию и разрушению.

Предотвращение и уменьшение износа достигается следующими мероприятиями:

- замена конструкции со скольжением конструкциями с качением;

- замена сухого трения жидкостным;

- правильное проектирование системы смазки.

Прочность и жесткость

Прочность элементов конструкции определяется напряжениями от приложенных нагрузок и свойствами материалов. Прочность характеризует способность материала сопротивляться разрушению под действием внешних сил.

Различают статическую прочность и циклическую прочность. Статическая прочность рассматривается при неизменном приложении нагрузок, циклическая– при переменных нагрузках.

Обеспечение статической прочности может достигаться двумя методами: расчетом по допустимым напряжениям [σ] и по запасу прочности.

σ_э ≤ [σ]

Для допускаемых напряжений составлены таблицы. Эти значения выбираются в зависимости от механических характеристик материалов, характера изменения напряжений и конструктивных особенностей детали.

где σ_э – напряжение в детали,

σ_пр – предельное (разрушающее) напряжение для данного материала

Запас прочности должен быть в определенных пределах

n ≥ [n]

[n] = n₁·n₂·n₃

n₁ = 1,05÷1,5 коэффициент надежности сопряжения,

n₂ = 1,1÷ 1,5 коэффициент надежности расчета,

n₃ = 1÷1,3 коэффициент, характеризующий степень ответственности детали,

n_min = 1,15,

n_max = 3÷4.

В современной технике для расчетов на статическую прочность применяются как первый, так и второй метод (первый метод – для станин и корпусных деталей, второй метод – для движущихся деталей).

Во многих случаях детали должны быть жесткими. Требование жесткости сводится к уменьшению деформации деталей или соединительных элементов, возникающей от приложенных нагрузок. Т.е. жесткость – это способность детали сопротивляться деформации от воздействия внешних сил.

Жесткость характеризуется коэффициентом жесткости:

где Р – нагрузка,

λ – деформация в точке приложения нагрузки.

где С_к – крутильная жесткость,

М – момент,

φ – угол закручивания.

Жесткость ограничивается по условиям работы деталей, соединительных элементов или машины в целом (например, точностью работы металлорежущего станка).

Вторым фактором, ограничивающим жесткость, является условие работы смежной детали. Жесткость определяет виброустойчивость детали и машины, частоту собственных колебаний механической системы.

Виброустойчивость

Устойчивость – это способность детали сохранять свою упругую форму при напряженном состоянии. Устойчивость определяет работоспособность длинных тонких сжатых деталей, тонких пластин, оболочек, полых тонкостенных валов.

Виброустойчивость – способность деталей и соединительных элементов работать в нужном диапазоне режимов без возникновения недопустимых колебаний.

Колебания могут быть собственные, вынужденные и автоколебания. Особенно опасны колебания при резонансе. Обеспечение виброустойчивости достигается устранением недопустимых колебаний и резонанса.

Колебания могут вызывать усталостные разрушения, резрегулировку машин, шум.