Коэффициент запаса прочности (безопасности)
Понятие машины, узла, детали
Машина представляет собой устройство, предназначенное для облегчения или замены труда человека и повышения его производительности.
Машины подразделяют на:
1) машины – двигатели;
2) машины – орудия;
3) машины – транспортирующие;
4) машины – роботы;
5) машины – кибернетические.
Узлом называется законченная сборочная единица, составные части которой подлежат соединению между собой на предприятии сборочными операциями.
Деталь – изделие, полученное без применения сборочных операций (болт, гайка, вал и т.д.). Детали подразделяют на:
1) детали общего назначения (передачи, соединения и т.д.);
2) детали специального назначения (лопатка, поршень и т.д.).
Курс «Детали машин» посвящен расчёту деталей общего назначения.
Классификация деталей общего назначения:
1. Соединительные детали и соединения (необходимы для соединения отдельных деталей в один механизм);
2. Детали для передачи вращательного движения (оси, муфты, валы);
3. Детали для поддержания в пространстве вращающихся частей машины (опоры, корпуса).
Принципы расчёта деталей машин по основным критериям
Работоспособности
Задачей проектирования машин является разработка документации, необходимой для их изготовления, монтажа, установки и эксплуатации. При этом к машине предъявляются такие требования, как: прочность, износостойкость, жёсткость, виброустойчивость, теплостойкость, надёжность, технологичность. Эти требования называются критериями работоспособности.
Прочность – способность сопротивляться нагрузкам, не разрушаясь и не имея при этом больших пластических деформаций. Это один из главных критериев. Расчёты на прочность проводят по номинальным допускаемым напряжениям, по допускаемым коэффициентам безопасности и по вероятности безотказной работы.
Расчёт на прочность состоит:
1. Предварительный расчёт (определяются приближённые параметры);
2. Проверочный расчёт (определение прочности в опасных местах).
Условие прочности - ,
где - расчётное напряжение, - допускаемое напряжение.
Одним из наиболее общих требований является условие равнопрочности. Очевидно, что нет необходимости конструировать отдельные элементы с излишними запасами несущей способности, которые не могут быть реализованы в связи с выходом из строя других элементов.
Износостойкость. Износ – процесс постепенного уменьшения размеров детали в результате трения. Следствие износа – уменьшение прочности и увеличение динамических нагрузок, нарушение герметичности и т.д. Виды изнашивания: абразивный износ, износ при заедании, износ при коррозии и т. д.
Оценка сопротивлений по изнашиванию проводится по условию:
; ; , где P-давление; PV – мощность трения, -рабочая температура; [ ] - допускаемые значения.
В наиболее ответственных деталях машин износостойкость обеспечивается надлежащей смазкой, применением антифрикционных материалов и герметизацией областей трения.
Жёсткость – это способность детали сопротивляться изменению формы под действием сил.
Проверочный расчёт жесткости состоит в определении упругих деформаций:
- удлинения;
- прогиба;
- поворота при изгибе;
- закручивания.
Виброустойчивость. Вибрация вызывает дополнительные переменные напряжения и приводит к усталостному разрушению деталей. Особенно опасными являются резонансные колебания. Условие отсутствия резонанса - несовпадение частот возбуждающих нагрузок с собственными частотами. Это условие достигается конструктивными мероприятиями.
Теплостойкость. Любая работа вызывает тепловыделение. Это приводит к снижению несущей способности детали, снижению защитной способности масляного слоя, разделяющего трущиеся поверхности детали, изменению зазоров в соединениях, изменению свойств поверхностей, снижению точности машин. Температурный расчёт сводится к ограничению температуры .
Надёжность и долговечность деталей машин
Надёжность – свойство выполнять свои функции, сохраняя свои характеристики. Она определяется безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью.
Безотказность – свойства изделий сохранять работоспособность в течение заданной наработки без вынужденных перерывов.
Долговечность – свойства изделий длительно сохранять работоспособность.
Ремонтопригодность – способность изделия к обнаружению и устранению отказов.
Сохраняемость – свойства изделия сохранять эксплуатационные показатели при хранении и транспортировке.
Имеем N0 изделий для испытаний в течение t часов. Пусть Nот – количество изделий, отказавших при испытании,а Nр – количество работающих изделий, тогда относительное число отказов
Если N0 велико, то Q(t) – вероятность отказов.
Количественная характеристика надёжности – вероятность безотказной работы P(t):
Если машина состоит из большого числа узлов, соединенных последовательно (рис.1.2), а отказ одного приведёт к отказу машины, то по теореме умножений вероятностей вероятность безотказной работы есть произведение вероятностей безотказной работы отдельных элементов:
Рис.1.2
Пусть система состоит из параллельно соединённых деталей (рис.1.3). Вероятность безотказной работы такой системы можно записать в виде
.
Таким образом, надёжность сложной системы всегда меньше надёжности самого ненадёжного элемента. Чем больше элементов имеет система, тем меньше её надёжность.
Важной характеристикой является интенсивность отказов:
Рис.1.3 ,
где tср – средняя наработка на один отказ.
В период нормальной эксплуатации машины (область II рис.1.4) отказы от износа (область III) ещё не проявляются и надёжность характеризуется внезапными отказами. Они носят случайный характер и определяются выражением, уменьшаясь с наработкой по экспоненциальному закону (рис.1.5).
Основные пути повышения надёжности машин:
1. Улучшение конструкции изделия.
2. Повышение качества производства.
3. Обоснованное уменьшение напряжённости детали.
4. Правильный выбор системы смазки.
5. Резервирование:
а) постоянно параллельное (рис.1.6);
если
б) резервирование замещением.
Если надёжность переключения 100%, то
.
Резервирование применяется тогда, когда исчерпаны все другие средства, существенно повышает надежность системы, но усложняет её.
Лекция №2
Выбор допускаемых напряжений при статических и переменных нагрузках
Все основные расчёты делятся на проектировочные и проверочные. Например, для стержня (рис. 2.1)
- проектировочный расчет;
- проверочный расчет.
Допускаемые напряжения – это максимальные значения рабочих напряжений, которые могут быть допущены при условии обеспечения надёжности детали в процессе её работы:
где – предельное нормальное (касательное) напряжение детали, S – коэффициент безопасности.
Предельные напряжения – это такие напряжения, при действии которых деталь выходит из строя:
где k– коэффициент концентрации напряжения;
s limD– предельное напряжение лабораторного образца;
em - масштабный фактор;
kП - коэффициент качества поверхности;
kр – коэффициент режима;
- коэффициент концентрации напряжения.
Фактические напряжения smax в зоне концентрации у дна выточки (рис. 2.2) будут значительно больше, чем где h и d - ширина и толщина пластины.
С увеличением абсолютных размеров сечений детали в большей степени проявляется негативное влияние неоднородности механических свойств металла и структурных дефектов, способствующих развитию усталостных трещин. Наряду с этим увеличение размеров сечения снижает градиент напряжений и положительный эффект возможного упрочняющего воздействия от обработки. Поэтому с увеличением абсолютных размеров сечения деталей происходит снижение их прочности и механических характеристик, получаемых при статических и усталостных испытаниях, учитываемое коэффициентами влияния абсолютных размеров – масштабными факторами
где s-1d (t-1d) – предел выносливости образца диаметра d;
s-1 (t-1) – предел выносливости пробного образца d = 7…10 мм.
При статических нагрузках состояние рабочих поверхностей оказывает незначительное влияние на их прочность. При циклических нагрузках разрушение деталей связано с развитием усталостных трещин, возникающих обычно в поверхностном слое. Развитию усталостных трещин способствуют возникшие на поверхности в результате механической обработки микронеровности, являющиеся также концентраторами напряжений. Влияние их учитывается коэффициентами качества поверхности
где s-1 и t-1 – предел выносливости полированных образцов;
s-1d и t-1d – предел выносливости образцов с заданной обработкой.
Циклы нагружения
Детали машин обычно подвергаются действию напряжений, циклически меняющихся во времени. При этом возникают микроскопические трещины, приводящие к усталостной поломке деталей. В общем виде кривая, характеризующая изменение напряжений во времени, представлена на рис. 2.3.
Большое значение для работы детали имеют верхние и нижние пределы напряжений,
– среднее или условно постоянное напряжение,
– амплитудное напряжение.
Важным параметром является коэффициент асимметрии цикла .
В технике встречается три основных случая нагружения:
- Статическое нагружение (рис. 2.4).
Обозначение [ I] – первый род нагрузки. R = +1.
Для хрупких материалов принимают
где и - пределы прочности при растяжении и сдвиге.
Для пластичных материалов принимают
где и - пределы текучести.
- Отнулевой (пульсирующий цикл) (рис. 2.5).
Обозначение [ II ] –второй род нагрузки.
- предел усталости при отнулевом цикле.
- Знакопеременный симметричный цикл (рис. 2.6).
Обозначение [ III ] – третий род нагрузки.
R = -1.
– предел усталости при симметричном цикле.
,
где ys -- коэффициент чувствительности материала к асимметрии цикла.
Коэффициент зависит от материала и его термообработки.
Для нормализованных и улучшенных сталей при sв>800 МПа принимают ys = 0,3…0,4 и yt = 0,4…0,5.
Определение коэффициента запаса прочности
Коэффициент запаса прочности (безопасности)
>1, где sр – расчётное напряжение.
Существует дифференциальный метод (Одинга) и табличный метод определения коэффициентов запаса прочности.
1. Дифференциальный метод определяет коэффициент запаса прочности как произведение частных коэффициентов, отражающих:
a) достоверность определения расчётных нагрузок S1=1…1,5;
б) однородность механических свойств материалов S2=1,2…2;
в) специфические требования безопасности S3=1…1,5.
Общий коэффициент запаса прочности [S]=S1· S2· S3.
2. Таблицы существуют для типовых деталей каждой отрасли.
Передачи
Основные понятия. Классификация механических передач
Любая машина состоит из трёх основных элементов – двигателя, передаточного механизма, исполнительного механизма.
Устройства для передачи энергии и движения от одного агрегата другому или от одной части машины к другой называются передачами. Передачи подразделяются на механические, электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные. В курсе «Детали машин» изучаются только механические передачи. Введение передач обусловлено следующими причинами:
1. Требуемые скорости исполнительного механизма, как правило, не совпадают с оптимальными скоростями двигателя;
2. Скорость движения исполнительного механизма необходимо регулировать, что не всегда возможно сделать двигателем;
3. Двигатели обычно выполняются для равномерного вращательного движения, а исполнительные механизмы могут требовать иной вид движения.
Передачи по принципу работы разделяются:
а) передачи трением с непосредственным контактом тел (фрикционные) и с гибкой связью (ременные);
б) передачи зацеплением с непосредственным контактом (зубчатые и червячные) и с гибкой связью (цепные).
По характеру изменения скорости:
а) понижающие (редуктора) и повышающие (мультипликаторы);
б) регулируемые и нерегулируемые.
Регулируемые разделяются на:
а) со ступенчатым регулированием;
б) с бесступенчатым (плавным) регулированием.
По взаимному положению валов:
а) с параллельными осями;
б) с пересекающимися осями;
в) с перекрещивающимися осями.
Устройство, содержащее одну или несколько зубчатых или червячных передач, установленное в жёстком корпусе и предназначенное для понижения частоты вращения и увеличения крутящего момента, называется редуктором.
Дата добавления: 2017-03-12; просмотров: 4254;