Критерии работоспособности и расчета деталей машин

К основным критериям работоспособности деталей машин относят прочность, жесткость, износостойкость, к дополнительным - теплостойкость, виброустойчивость и др.

Прочность - способность детали воспринимать приложенные нагрузки без разрушения или возникновения пластических деформаций. Чаще всего прочность является главным критерием работоспособности большинства деталей.

Основной метод расчета деталей на прочность - это расчет по допускаемым напряжениям. Согласно этому методу условия прочности при статическом нагружении имеют вид:

и ;

или

и , ;

где s, t - нормальные и касательные напряжения в опасных сечениях, найденные по одной из гипотез прочности;

[s], [t] - допускаемые напряжения при статических нагрузках;

n_s, n_t - действительные (расчетные) коэффициенты запаса прочности;

[n_s], [n_t] - допускаемые (требуемые, заданные или нормативные) коэффициенты запаса прочности для рассчитываемой детали.

Расчёты на прочность дают возможность определить размеры и формы деталей, выдерживающих заданную нагрузку, при наименьших затратах материала.

Для выбора допускаемых напряжений и коэффициентов запаса прочности используют два метода: табличный и дифференциальный.

Табличный метод заключается в выборе искомых величин допускаемых напряжений и коэффициентов запаса прочности по специальным таблицам, составленным научно-исследовательскими институтами и организациями, проектирующими машины и приведенным в справочной литературе.

Дифференциальный метод (применяется реже) заключается в определении искомых величин по формулам, учитывающим различные факторы, влияющие на прочность рассчитываемой детали.

Необходимо отметить, что зачастую детали машин имеют сложную форму, работают в различных условиях и не всегда возможно получить точную формулу для их расчета. Поэтому часто при расчете деталей машин применяют различные приближенные и эмпирические формулы, в которые входят поправочные коэффициенты, устанавливаемые из опытов и подтвержденные практикой конструирования и эксплуатации.

Жесткость - способность детали сопротивляться изменению формы и размеров под действием приложенных нагрузок. Расчет на жесткость предусматривает ограничение упругих перемещений деталей в пределах, допускаемых для конкретных условий работы.

Иногда решающим является не критерий прочности, а критерий жесткости, т.к. он задает большие размеры деталей. Обычно рас­сматривают продольную, крутильную и контактную жесткость.

Требования к жесткости деталей машин определяют следующие условия:

• прочность детали при неустойчивом равновесии, а также при ударных нагрузках;

• работоспособность детали совместно с сопряженными деталями;

• динамическая устойчивость;

• технологические условия;

• удовлетворительная работа машины в целом.

Износостойкость - способность детали сохранять необходимые размеры трущихся поверхностей в течение заданного срока службы.

Большое количество деталей машин выходит из строя вследствие износа. Следует стремиться назначить размеры деталей с учетом того, чтобы изнашиваемая деталь проработала заданный срок службы. Огра­ничение срока службы наступает:

• из-за потери точности;

• снижения КПД;

• снижения прочности;

• возрастания шума при работе;

• полного истирания детали.

Изнашивание - процесс разрушения поверхностных слоев при трении, зависящий от величины давления деталей друг на друга, скорости скольжения, коэффициента трения, шероховатости поверхностей и других факторов. Существуют различные виды изнашивания: усталостное, абразивное, коррозионно-механическое и др.

Рис. 1. Виды изнашивания

Механическое изнашивание – срезание и пластическое деформирование микронеровностей при относительном перемещении сопряженных поверхностей, объемное пластическое деформирование, повреждение поверхностей абразивными частицами, повреждение в результате развития усталостных трещин и др.

Молекулярно-механическое изнашивание. При больших значениях s_н в результате разрушения оксидных пленок и пластического деформирования отдельные участки сопряженных поверхностей вступают в контакт, при котором происходит молекулярное сцепление, называемое схватыванием. При дальнейшем перемещении происходит разрушение «мест соединения». Этот процесс называется заеданием. Опасной формой заедания является задир, когда поверхность повреждается в виде борозд глубиной 100-200 мкм.

Коррозионно-механическое изнашивание происходит в результате изнашивания коррозионных пленок под воздействием нормальных сил и сил трения. В результате появляются «вторичные» пленки, которые тоже изнашиваются. Это изнашивание окислительное.

Изнашивание возникающее при очень малых относительных перемещениях сопряженных поверхностей, обусловленное деформациями и люфтами называется фреттинг-коррозией.

Изнашивание деталей можно уменьшить выбором материалов, путем их химико-термической обработки, другими упрочняющими методами, соблюдением режима смазывания деталей.

Теплостойкость- способность деталей нормально работать в заданном температурном режиме в пределах установленного срока службы.

Работа большинства машин связана с повышенными ре­жимами или тепловыделением при преодолении сил трения между отдельными деталями. В результате возникает ряд вредных явлений в работающей машине:

• уменьшается несущая способность детали вследствие снижения механи­ческих характеристик материала при повышении температуры;

• уменьшается защитная способность масляного слоя;

• изменяются рабочие зазоры в подвижных соединениях;

• изменяются свойства трущихся поверхностей;

• понижается точность машины

Виброустойчивость - способность конструкции работать в нужном режиме без недопустимых колебаний, близких к области резонансов.

Этот критерий обусловливает способность конст­рукции работать в необходимом диапазоне режимов без недопустимых коле­баний и вибраций. Вибрации вызывают дополнительные переменные напря­жения и приводят к усталостному разрушению.

Виброустойчивость рассматривает:

• вынужденные колебания;

• автоколебания (самовозбуждающиеся);

• возникновение шума при работе машины.

При расчете по рассмотренным критериям искусство конструктора состо­ит в том, чтобы найти наиболее рациональный вариант исполнения детали, узла, машины, при котором достигается самый высокий технико-экономический эффект при уже заданных материальных затратах.