Основные критерии работоспособности деталей машин

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.).

Основные критерии работоспособности деталей машин

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

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:

,

где σ, τ – расчетные нормальные и касательные напряжения, [σ] и [τ] – допустимые нормальные и касательные напряжения.

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.

Рисунок 1.1 – Виды напряженного состояния

В зависимости от характера нагрузки различают следующие виды объемного напряженного состояния деталей машин:

а) напряжения растяжения (рисунок 1.1, а)

,

(1.1)

где F – внешняя нагрузка; А – площадь поперечного сечения детали; [σ_р] – допустимое напряжение растяжения.

Так как большинство деталей машин изготавливаются из стали, то напряжения сжатия также определяют по выражению (1.1).

б) напряжение изгиба (рисунок 1.1, б)

,

(1.2)

где M_max – максимальный изгибающий момент; W_x – осевой момент сопротивления; [σ_и] – допустимое напряжение изгиба.

Максимальный изгибающий момент определяют по эпюре изгибающих моментов, а осевой момент сопротивления для деталей круглого сечения по выражению

.

(1.3)

Тогда из условия прочности (1.2) следует

.

(1.4)

в) напряжения кручения (рисунок 1.1, в)

,

(1.5)

где Т – крутящий момент; W_р – полярный момент сопротивления; [τ_кр] – допустимое напряжение кручения.

Полярный момент сопротивления для деталей круглого сечения определяют по выражению

.

(1.6)

Тогда из условия прочности (1.5) следует

.

(1.7)

г) напряжения среза (рисунок 1.1, г)

,

(1.8)

где F – сдвигающее усилие; А_ср – площадь среза штифта; d – диаметр штифта; z – число штифтов; i – число стыков соединяемых деталей.

д) напряжения смятия (рисунок 1.1, г)

,

(1.9)

где F – сдвигающее усилие; А_см – площадь смятия; δ – толщина соединяемых деталей.

При сложном напряженном состоянии условие прочности имеет вид:

.

(1.10)

Объемная прочность является основным критерием работоспособности многих деталей. Непрочные детали не могут быть работоспособными. Допускаемые напряжения [σ] и [τ] представляют собой долю предельных (опасных) напряжений и определяются для типовых деталей экспериментальным путем или расчетом:

,

(1.11)

где σ_lim – одна из предельных прочностных характеристик материала детали; [s] = 1,5 ÷ 3 – допускаемый коэффициент запаса прочности.

Для стальных материалов в качестве предельной прочностной характеристики принимается предел текучести σ_т, а чугуна – временный предел прочности σ_в.

Поверхностная прочность представляет особый класс задач, связанных с первоначальным контактом деталей в точке или по линии (подшипники качения, зубчатые, фрикционные передачи и т. д.). В этом случае условие прочности имеет вид

,

(1.12)

где σ_Н и [σ_Н] – соответственно расчетные и допускаемые контактные напряжения.

Расчетные контактные напряжения σ_н сравнивают с допускаемыми контактными напряжениями [σ_Н], полученными экспериментально на реальных образцах. В расчетной практике наиболее широко используются схемы расчетов деталей с цилиндрическими поверхностями (рисунок 1.2).

Контактные напряжения возникают в месте соприкосновения двух тел в тех случаях, когда размеры площадки контакта несравненно малы (b / l → 0) по сравнению с размерами деталей 1 и 2.

Аналитическое решение контактной задачи было впервые получено известным немецким ученым Г. Герцем (1881 г.), о чем свидетельствует индекс «н» в обозначении контактных напряжений.

Рисунок 1.2 – Контакт двух цилиндров

В общем виде уравнение Герца имеет вид:

,

(1.13)

где Е_пр – приведенный модуль упругости; q – нагрузка на единицу длины контактной линии; ρ_пр – приведенный радиус кривизны контактирующих поверхностей; μ – коэффициент Пуассона (для стали μ ≈ 0,3).

Применительно к контакту двух цилиндров приведенный модуль упругости находят по выражению

,

(1.14)

где для стальных деталей Е₁ = Е₂ = Е = 2,1· 10⁵ МПа.

Приведенный радиус кривизны контактирующих поверхностей.

,

(1.15)

где знак плюс используется при внешнем зацеплении, а минус – внутреннем.

Нагрузка на единицу длины контактной линии

.

(1.16)

Для точечного контакта (шарикоподшипники) при площади контакта в виде эллипса (шар и плоскость) контактные напряжения

,

(1.17)

где а и b – длины полуосей эллиптической площадки контакта.

Жесткость

Жесткость – это способность деталей сопротивляться изменению формы и размеров под действием приложенной нагрузки.

Жесткость оценивают по величине силы, вызывающей единичное перемещение (линейное, угловое) некоторой точки или сечения детали

,

(1.18)

где Е – модуль упругости материала детали; А – поперечное сечение детали; l – длина детали.

Характеристику, обратную жесткости, называют податливостью

.

(1.19)

Минимальная жесткость деталей ограничивается допускаемыми значениями перемещений и углов поворота сечений: [Δl ≤ [Δl] и φ ≤ [φ].

Износостойкость

Износостойкость – способность материала детали сопротивляться изнашиванию детали в определенных условиях трения (сухое, граничное, жидкостное) или иного воздействия (например, удар).

В процессе работы машины показатели изнашивания деталей и сопряжений не сохраняют постоянных значений. Они изменяются во времени чаще всего по кривой В. Ф. Лоренца (рисунок 1.3).

На этой кривой участку I соответствует период приработки сопряженных деталей, участку II – период установившегося изнашивания, участку III – катастрофический износ деталей.

Как показывает практика, по причине износовых отказов выходят из строя около 85 – 90 % всех деталей.

Рисунок 1.3 - Влияние времени эксплуатации на интенсивность изнашивания

деталей машин

Оценка износостойкости в настоящее время чаще производится косвенно – путем сравнения расчетных и допустимых параметров:

; ; .

(1.20)

Теплостойкость

Теплостойкость – это способность конструкции работать в пределах заданных температур в течение заданного срока службы.

Перегрев деталей машин может вызвать следующие вредные последствия:

- понижение прочности материала детали;

- понижение защитной способности масляной пленки;

- изменение зазоров в подвижных соединениях, приводящих к заклиниванию и заеданию.

В основе расчетов на теплостойкость применяют уравнение теплового баланса

,

(1.21)

где Q₁ – тепловая мощность в машине; Q₂ - мощность теплоотдачи в окружающую среду.

Эти параметры определяются по выражениям

, ,

(1.22)

где P – мощность на машине; η – к.п.д. машины; К_Т – коэффициент теплоотдачи; А – площадь поверхность; t_м – рабочая температура масла; t_о – температура окружающей среды.

Используя уравнение теплового баланса можно определить необходимую площадь поверхности, передающую тепло или рабочую температуру масла и сравнить ее с допускаемыми значениями.

Вибростойкость

Вибростойкостью называется способность конструкции работать в нужном диапазоне режимов, достаточно далеких от области резонанса.

Вибрация вызывает дополнительные переменные напряжения и, как правило, приводит к усталостному разрушению деталей. Это снижает качество работы машин, например, точность механической обработки и т. д. Особо опасными являются резонансные колебания.

В связи с повышением скоростей движения машин опасность вибраций возрастает. Обычно проводят расчеты на резонансные колебания и ограничивают их в процессе эксплуатации.