Критерии работоспособности деталей и машин

При проектировании привода или узла должны учитывать­ся все перечисленные требования, а те из них, по которым осу­ществляется оценка объекта проектирования, становятся по­казателями качества - критериями, например критерий обеспечения минимальной массы конструкции или мини­мальной стоимости. Часто оптимизация системы осуществля­ется упрощенно и сводится к выбору наилучшего варианта конструкции, поэтому эффективнее ее проводить на основе математической теории оптимизации. В большинстве случаев задачи проектирования являются многокритериальными. При оптимизации полное удовлетворение всех требований часто нецелесообразно, поэтому ищут компромиссное реше­ние, например, используя метод Парето.

Работоспособность и надежность детали(элемен­та) обеспечивается за счет выполнения следующих основных требований: прочности, жесткости и стойкости к различным воздействиям (износу, вибрации, температуре и др.). При выполнении сформулированных требований деталь должна иметь минимальную массу и габа­риты, обладать необходимой точностью. Также необходимо выполнять и другие требования - обеспечить технологич­ность, безопасность изготовления и низкую стоимость детали.

Прочность

Способность детали сопротивляться разрушению – оценивается несколькими способами: мощью допускаемых напряжений; б) запасами в) статистическими запасами прочности.

Наибольшее распространение получил метод расчета по допускаемым напряжениям, согласно которому наибольшее напряжение σ_шах в некоторой точке нагруженной детали не должно превышать определенной величины, свойственной дан­ному материалу и типу детали.

Условие прочности детали по допускаемому напряжению имеет вид

σ_max ≤ [σ](16.1)

где [σ] - допускаемое напряжение.

Такая оценка удобна, и поэтому на практике для одно­типных конструктивных элементов (деталей), устоявшейся тех­нологии их изготовления, стабильных условий нагружения разработана система допускаемых напряжений, обобщающая предшествующий опыт эксплуатации машин, приборов и аппара­тов различного назначения.

Однако такой оценке прочности присущи и недостатки:

1) величина допускаемого напряжения носит условный ха­рактер, так как не отражает характера предполагаемого раз­рушения, режима нагружения и других факторов, влияющих на надежность;

2) допускаемое напряжение, особенно при переменной на­грузке, зависит от геометрии детали, материала, технологии изготовления, что затрудняет его использование в качестве нормативной характеристики;

3) величина [σ] не дает представления о надежности де­тали в явном виде, так как в формуле (16.1) не пока­зано соотношение действующих и предельных напряжений для материала детали (предела текучести σ_т, предела проч­ности σ_в, предела выносливости и др.).

В инженерных расчетах допускаемые напряжения используют в основном для предварительных расчетов, связанных с приб­лиженным определением основных размеров деталей. Широкое распространение получил также расчет по запасам прочности. Условие прочности в этом случае

n = σ_пред / σ_max (16.2)

где n - запас прочности; σ_пред - предельное напряжение (предел прочности при постоянных нагрузках, предел выносливости при переменных нагрузках), полученное экспериментально или взятое из справочника; σ_max — максимальное напряжение в опас­ной точке детали, вычисленное при наибольшей (ожидаемой или установленной тензометрированием) рабочей нагрузке. Величина σ_пред отражает геометрию детали, технологию ее изготовления и условия нагружения, поэтому величина необходимого запаса прочности имеет стабильное значение.

Условия прочности по допускаемым напряжениям и за­пасам прочности связаны соотношением

[σ]= σ_пред / n(16.3)

При действии статических нагрузок иногда используют запас прочности по несущей способности

n = F_разр / F(16.4)

показывающий отношение нагрузок в момент разрушения и в рабочих условиях.

В описанных методах оценки прочности носят детермини­рованный характер и не учитывают должным образом неизбеж­ное рассеяние разрушающих и максимальных напряжений.

Статистические запасы прочности являются более обосно­ванными характеристиками прочностной надежности, в осо­бенности для отказов конструкций с тяжелыми последстви­ями.

Рис. 16.1. Кривые плотности распределения переменных на­пряжений и пределов выносли­вости

На рис. 16.1 в качестве примера показаны кривые плот­ности распределения переменных напряжений σ_a наиболее нагруженной точке детали (кривая 1) и пределов выносливости детали σ_-1д(кривая 2). Переменные напряжения в детали в процессе работы определяют с помощью тензометрирования. Рассеяние рабочих напряжений вызвано колебаниями нагрузки при работе машины.

Предел выносливости детали определяют экспериментально на некоторой базе испытаний (обычно 10⁷ циклов). Разброс характеристик сопротивления усталости деталей обусловлен нестабильностью механических свойств металла даже в пре­делах одной плавки, отклонениями в режиме термообработки, отклонениями размеров деталей в пределах допусков, ми­кроскопическими источниками рассеяния, связанными с не­однородной структурой материала и др.

Так как разрушающее и действующее -напряжения явля­ются случайными величинами, то и запас прочности конкретной детали является случайной величиной с функцией распределения Р(п):

где u_1-q — односторонний квантиль доверительной вероятности Р_д = 1 – q;

n = σ_разр / σ_mах - запас прочности по средним на­пряжениям;

υ_σразр =S_σразр / σ_разр и υ_σmax =S_σmax / σ_max - коэффи­циенты вариации.

Величины u_1-q для некоторых значений уровня значимости следующие:

Статистические запасы прочности, как и обычные запасы прочности, имеют условное значение. Их используют как критерии сравнения надежности вновь создаваемых изделий с изделиями, удовлетворительно эксплуатируемыми.

Основное преимущество статистических запасов прочности перед детерминистскими (обычными) запасами состоит в том, что сопоставление приводится к одинаковым условиям по рассеянию значений σ_разр и σ_mах (по объему используемой информации).

Выпол­нение требований прочностипри статическом, циклическом и ударном нагружениях должно исключить возможность раз­рушения, а также возникновения недопустимых остаточных и упругих деформаций.

Износостойкость

Общая характеристика процесса изнашивания.Многие детали машин выходят из строя вследствие изнашивания - разрушения поверхностных слоев трущихся тел, приводящего к уменьшению их размеров в направлении, перпендикулярном поверхности трения. Такие отказы связаны с потерей точности машин, приборов и инструментов, снижением коэффициента полезного действия машин, снижением прочности деталей из-за появления динамических нагрузок и уменьшения сечений, увеличением шума и другими не­гативными последствиями.

Износ вызывает существенное удорожание эксплуатации машин. Ежегодные расходы на поддержание и восстановле­ние действующего парка некоторых машин (например, ав­томобилей) соизмеримы со стоимостью годового выпуска новых машин.

Существенно, что при постоянных условиях трения протекание изнашивания (по стадиям) подобно зависимости интенсив­ности отказов деталей от времени наработки (см. рис. 16.1).

На первой стадии происходит приработка поверхностей контакта (разрушение наиболее «уязвимых» микронеровностей и образование «равновесной» шероховатости). Затем наступает период установившегося изнашивания (вторая стадия), характеризующийся минимальной интенсивностью изнашивания для заданных условий трения. И, наконец, наступает третья стадия — катастрофический износ и резкое уменьшение размеров сечения детали.

Виды изнашивания.Механизм разрушения поверхностного слоя различный из-за многообразия изменений, возникающих в контактном слое. Различают механическое (усталостное, абразивное), молекулярно-механическое, коррозионно-механическое (окислительное, фреттинг-коррозия и т. д.) изнашивание. По характеру промежуточной среды различают изнашивание при трении без смазочного материала, изнашивание при граничном трении, изнашивание при наличии абразива. По характеру деформирования поверхностного слоя изнашивание может происходить при упругом и пластическом контакте, при микрорезании.

Абразивное изнашивание — распространенный вид повреждения поверхности деталей транспортных, дорожных, сельскохозяйственных, горных и других машин, работающих. в технологических средах, содержащих абразивные частицы.

Абразивное изнашивание является результатом срезания и пластического деформирования микронеровностей (шероховатостей) твердыми посторонними частицами при относи­тельном перемещении сопряженных поверхностей. Эти частицы являются обычно минеральными и имеют неметаллические атомные связи, что и обуславливает сравнительную про­стоту физических процессов этого вида изнашивания. От­деление частиц при изнашивании происходит при однократном или многократном воздействии абразивного тела. В результате изнашивание идет в форме процесса микрорезания, либо в виде усталостного повреждения (малоциклового — при упругопластическом деформировании, собственно усталостного — при многоцикловом воздействии).

Для уменьшения абразивного изнашивания снижают уровень абразивного воздействия, повышают поверхностную твердость материалов деталей (закалкой, поверхностным пластическим деформированием, напылением порошков карбидов).

Для предотвращения чрезмерного абразивного (механического) изнашивания ограничивают удельную мощность, расходуемую на преодоление сопротивления в зоне контакта

w = σ_k f υ_ск ≤ [w](16.5)

где f — коэффициент трения (сопротивления) между контакти­рующими деталями; υ_ск — скорость относительного скольже­ния; [w]- допускаемая мощность трения, [w]= 150…250 Н*мм/(мм²*с) для шлицевых соединений и др.

Молекулярно-механическое изнашивание происходит при высоких контактных напряжениях в зоне сопряжения детален из однородных материалов (зубчатых и гиперболоидных передач, резьбовых соединений и др.). Оно начинается с локального пластического деформирования и разрушения окисных пленок на отдельных участках поверхности контакта, а заканчивается молекулярным сцеплением (схватыванием) материала этих участков деталей и последующим разрушением зон схватывания при относительном движении.

Процесс развития повреждений трущихся поверхностей деталей вследствие схватывания называют заеданием. Интенсивность заедания увеличивается с ростом контактных напряжений (давлений), скорости относительного перемещения, .температуры в зоне контакта и других факторов.

Для предупреждения схватывания на поверхности контактирующих деталей наносят защитные покрытия и окисные пленки, подают смазочный материал в зону контакта, повышают поверхностную прочность (твердость) деталей, ограничивают контактные напряжения и скорость относительного перемещения. Расчеты на износ для предотвращения молекулярно-механического изнашивания ведут из условий

σ_k ≤ [σ_k]; θ_к ≤ [θ_к] (16.6)

где [σ_k]и [θ_к] — допускаемые контактные напряжения и тем­пература в зоне контакта.

При назначении значений [σ_k]и [θ_к] решающую роль играет предшествующий опыт проектирования подобных конструкций.

Коррозионно-механическое изнашивание наблюдается в машинах и аппаратах, в которых трущиеся детали вступают в химическое взаимодействие со средой. Поверхность трения деталей разрушается под действием двух одновременно протекающих процессов: коррозии и механического изнашивания.

При вибрациях в условиях контакта металла с воздухом коррозионно-механическое изнашивание протекает в форме фреттинг-коррозии (от английского fret — подтачивать). В результате небольших циклических относительных смещений деталей разрушаются тонкие окисленные поверхностные слои металла, которые не удаляются из зоны трения и превращаются в абразивные частицы (черный порошок). Процесс окисления непрерывен на воздухе, поэтому разрушение носит прогрессирующий характер. Фреттинг-коррозия способствует разрушению заклепочных, прессовых, резьбовых, шлицевых и шпоночных соединений.

Для защиты от фреттинг-коррозии используют различные методы поверхностного упрочнения зон контакта, наносят мягкие гальванические покрытия, напыляют тефлоновые и резиновые пленки и т.п.

В химически активных средах, в жидкостях и различных газах, где процессы коррозии протекают активно, коррозионно-механическое изнашивание деталей наносит существенный ущерб. Для предотвращения коррозионно-механического изнашивания применяют коррозионно-стойкие материалы.

Жесткость

Жесткость — способность деталей сопротивляться изменению формы, является одной из характеристик работоспособности деталей машин. Требования жесткости к детали или контактной поверхности сводятся к ограничению возни­кающих под действием нагрузок деформаций, нарушающих работоспособность изделия, к недопустимости потери общей устойчивости для деталей балочного типа, подвергающих­ся сжатию, и местной - у тонкостенных элементов.

Жесткость оценивают по величине силы, вызывающей единичное перемещение (линейное или угловое] некоторой точки или сечения детали. Так, удлинение при растяжении стержня силой F

Δl = F*l / (E*A)

а жесткость стержня при растяжении, Н/мм

c = F / Δl = (E*A)/ l

Характеристику, обратную жесткости, называют податливостью (мм/Н)

Λ = 1/c = = l / (E*A)

т. е. податливость равна перемещению сечения стержня (детали) под действием силы в 1 Н.

Жесткость существенно влияет на распределение напряже­ний в зонах соприкосновения деталей и в самих дета­лях и, как следствие, на их прочность и износостой­кость.

На рис. 16.2, а показано распределение контактных напряжений между двумя роликами в продольном сечении, проходящем через их оси. При увеличении диаметра малого ролика и связанного с ним увеличения его изгибной жесткости возрастает длина площадки контакта и снижается максимальное напряжение (рис. 16.2, б). Это способствует повышению износостойкости и прочности деталей, но масса ролика возрастает.

Однако влияние жесткости на распределение напряжений может быть и иным (рис. 16.3). При уменьшении радиаль­ной жесткости малого ролика (пустотелый ролик) и его массы снижается максимальное контактное напряжение. В этом случае улучшаются условия контакта, и снижается масса ролика, но увеличиваются окружные напряжения в теле малого ролика.

В приведенных примерах показаны возможные способы конструктивного улучшения условий контакта деталей за счет изменения жесткости.

Значимость вопросов жесткости деталей в проблеме их надежности возрастает в связи с непрерывным сокращением металлоемкости машин и в особенности для тонкостенных конструкций.

Жесткость влияет и на другие характеристики деталей и узлов машин (например, на вибрационную активность).

Минимальная жесткость деталей ограничивается допуска­емыми значениями першещений"и углов""поворога сечений

δ ≤ [δ]; φ ≤ [φ], (16.7)

где [δ]и [φ] — допускаемые значения перемещения и угла поворота сечения детали.

Эти соотношения используются как для проверки жесткости деталей, так и для определения их размеров.

Виброустойчивость

При высоких скоростях звеньев механизмов могут возникнуть вибрации, которые вызывают дополнительные переменные напряжения и, как правило, приводят к усталостному разрушению деталей. При вибрациях особенно опасно явление резонанса, которое наступает в случае, когда частота собственных колебаний детали совпадает с частотой изменения периодических сил, вызывающих вибрации, так как при этом резко возрастает амплитуда колебаний и может произойти разрушение детали.

Причинами появления вибрации являются: неуравновешенность движущихся деталей механизма, большие зазоры между сопряженными деталями, неточность изготовления зубьев колес, недостаточная жесткость деталей и корпусов механизмов, периодическое изменение сил и другие причины.

Для предотвращения вибраций необходимо устранить причины, способствующие их возникновению. Часто вибрации можно устранить путем изменения динамических свойств системы, изменения моментов инерции подвижных частей механизма и увеличения жесткости вибрирующих деталей, уравновешивания вращающихся деталей. Для защиты механизма от внешних механических воздействий – толчков, ударов и вибрации – применяются амортизаторы.

Теплостойкость

Тепловые расчеты при проектировании механизмов обычно производятся для решения двух задач:

1) определения температуры нагрева деталей и изыскания способов ограничения ее величины допустимыми пределами;

2) определения величины тепловых деформаций деталей для учета их влияния на точность и надежность механизма.

Пренебрежение к учету влияния тепловых факторов может привести к чрезмерному и неравномерному нагреву деталей механизма и нарушению нормального их взаимодействия.

Чтобы не допустить вредных последствий перегрева на работу машины, если необходимо, вносят соответствующие конструктивные изменения (например, искусственное охлаждение).

Достаточно, чтобы для каждой детали выполня­лись не все перечисленные требования, а лишь те, которые связаны с ее эксплуатацией. Например, пружина редуктора гидросистемы смазки машины должна удовлетворять требо­ваниям прочности, жесткости, стойкости к изменению темпе­ратуры и химическому воздействию среды, где она находится.

Для другой детали - металлической гайки, нагруженной си­лой, требования сводятся лишь к обеспечению прочности в за­данном интервале температур, а при контакте с влагой - защите от коррозии.