Основные критерии работоспособности деталей и узлов машин.

Работоспособность – это состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями нормативно – технической документации.

Основными критериями работоспособности являются:

- прочность;

- жесткость;

- износостойкость;

- теплостойкость;

- виброустойчивость.

Значение того или иного критерия для данной детали зависит от ее назначения и условий работы.

Жесткость – это способность конструкции и ее элементов сопротивляться изменениям формы и размеров. Например, при недостаточной жесткости валов в зубчатой передаче может возникнуть прогиб, который приводит к неравномерности распределения нагрузки по зубьям колес из-за уменьшения площади контакта и заклиниванию подшипников качения из-за перекоса валов (пример см. рис. 2.1.).

Недостаточная жесткость деталей влияет на их взаимное расположение в механизмах, вызывает в подвижных сопряжениях повышенное трение, давление, температуру и др.

Расчет конструкций на жесткость.

Различают объемную жесткость (брус, пластина, оболочка) и контактную жесткость, т. е. жесткость, связанную с контактными деформациями поверхностных слоев в местах контакта деталей.

Объемная жесткость оценивается коэффициентом жесткости:

,

где - сила; - вызванная силой деформация.

Величина обратная жесткости называется податливостью:

.

Факторы, влияющие на жесткость:

- модуль упругости (Е, G);

- геометрические характеристики сечения детали (площадь, момент инерции и др.);

- вид нагрузки и типы опор.

Методы повышения жесткости:

- устранение изгиба (т.к. металлы лучше работают (воспринимают) растяжение-сжатие);

- применение материалов с высоким модулем упругости ();

- рациональное расположение и изменение количества опор (что приводит к уменьшению прогиба и плеч изгибающих моментов; см. рис. 2.2.);

- выбор рациональной формы поперечного сечения детали;

- применение в конструкции ребер жесткости (что приводит к изменению геометрических характеристик сечения деталей);

- уменьшение числа стыков (монолитная конструкция обладает большей жесткостью, чем конструкция аналогичного объема, изготовленная с помощью сборочных операций (сварки, свинчивания и т.д.));

- повышение качества поверхности (использование деталей с низкой шероховатостью).

Расчеты на жесткость сводятся к проверкам:

- удлинение;

- прогиб;

- угол поворота сечения при изгибе;

- угол закручивания.

Расчет ведется методами сопротивления материалов.

Виброустойчивость – способность конструкции работать в диапазоне режимов, достаточно далеких от области резонанса (резонанс - совпадение или кратность частоты вынужденных колебаний и частоты собственных колебаний).

Вибрации снижают качество работы машин, увеличивают шум, усиливают изнашивание, вызывают дополнительные переменные напряжения в деталях и усталостное разрушение.

Расчеты на виброустойчивость сводятся к определению частот собственных колебаний механической системы и обеспечению их несовпадения с частотой вынужденных колебаний.

Для снижения колебаний:

- используют маховики и демпферы, рассеивающие энергию колебаний;

- устранение действия внешних сил (например, дополнительных колебаний, вызванных эксплуатируемым в непосредственной близости оборудованием);

- изменение жесткости упругой связи деталей;

- уменьшение шероховатости;

- применение упругих прокладок.

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

Нагрев деталей в процессе работы машины приводит к:

- снижению механических характеристик материала и к появлению пластических деформаций (при температуре свыше 300 );

- уменьшению зазоров в подвижных сопряжениях деталей, что приводит к схватыванию, заеданию, заклиниванию;

- снижению вязкости масла (т. е ухудшаются смазочные свойства масляного слоя).

Для обеспечения нормального теплового режима работы должен быть обеспечен тепловой баланс, т. е. сравнивают количество выделенной теплоты с количеством отведенной теплоты в единицу времени:

;

определяют рабочую температуру и сравнивают с допускаемой:

.

Если условия не выполняются, то применяют:

- искусственное охлаждение,

- проектируют охлаждающие ребра,

- увеличивают размеры корпуса;

- заменяют пары скольжения парами качения;

- применяют материалы с малым коэффициентом линейного расширения.

Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию. Изнашивание - процесс разрушения и отделения материала с поверхности тела при трении, который приводит к постепенному изменению размеров и формы. До 90% деталей подвижных сопряжений машин выходят из строя из-за износа.

Существуют различные виды изнашивания:

- усталостное изнашивание. При контакте деталей в них возникают контактные напряжения . В результате циклического нагружения на трущейся поверхности 1 образуются усталостные микротрещины 2. Смазочный материал, попадая в микротрещины, способствует их расклиниванию 3 и выкрашиванию частиц 4 металла, в результате чего на поверхности детали появляются мелкие ямки (питтинг), см. рис. 2.3. Такой износ характерен для зубчатых и фрикционных передач, подшипников качения.

Рис. 2.3. Схема усталостного изнашивания поверхности.

- абразивное изнашивание. Это разрушение поверхностных слоев материала трущихся пар твердыми абразивными частицами. Зерна абразива могут попадать на трущиеся поверхности извне, содержаться в материале трущихся пар или в продуктах износа. Методы борьбы: упрочнение поверхностей;

- водородное изнашивание. При работе узлы трения нагреваются, идет выделение водорода, который оседает на поверхности материала и проникает вглубь детали, вызывая охрупчивание, множество микротрещин и образование мелкодисперсного порошка материала. Методы борьбы: использовать стали легированные хромом, титаном, ванадием; снижение температуры в зоне контакта;

- молекулярно-механическое изнашивание. При больших давлениях происходит разрушение защитных масляных пленок на поверхностях сопряженных деталей. Отдельные участки поверхности могут вступить в молекулярный контакт. Происходит схватывание, а последующее перемещение поверхностей вызывает разрушение мест соединений (возникают задиры и борозды). Методы борьбы: повышение твердости за счет термообработки, использование специальных смазок, применение покрытий;

- коррозионно-механическое изнашивание (фреттинг-коррозия). Разрушение поверхности происходит под действием двух одновременных процессов: коррозии и механического изнашивания. Возникает при очень малых относительных перемещениях (колебаниях) сопряженных поверхностей, при этом происходит разрушение оксидных пленок, образуются ямки и порошок. Продукты износа не удаляются из зоны контакта и превращаются в абразивные частицы. Методы борьбы: уменьшение относительных смещений, поверхностное упрочнение, гальванопокрытия, напыление.

Износ вызывает:

- потери точности;

- снижение КПД;

- увеличение шума;

- увеличение вибрации;

- увеличение зазоров.

Меры борьбы с изнашиванием:

- замена сухого трения жидкостным (хорошее смазывание);

- увеличение твердости (например, закалка снижает износ в 2 раза) и чистоты обработки поверхностей;

- подбор материалов трущихся пар (например, использование антифрикционных материалов).

Прочность – это способность конструкции и ее элементов выдерживать внешние воздействия (нагрузки) без разрушения и появления недопустимых остаточных деформаций. Прочность является важнейшим критерием работоспособности. Ему должны удовлетворять все детали.

Расчеты элементов конструкции на прочность будем осуществлять:

1). С помощью метода допускаемых напряжений. Т.е. определяют максимальные напряжения в опасном сечении и сравнивают их с допускаемыми, используя условие прочности :

- при растяжении и сжатии;

- при сдвиге;

- при кручении;

- при изгибе.

Пример: Определить диаметр стального стержня при воздействии на него растягивающей силы кН, МПа.

Решение:

1. Воспользуемся формулой для определения действительных напряжений:

;

2. Определим площадь поперечного сечения:

;

3. Используя данные формулы определим диаметр стержня:

мм.

2). С помощью определения коэффициента запаса прочности. Т.е. прочность деталей машин оценивают сравнением действительного коэффициента запаса прочности s рассчитываемой детали с допускаемым коэффициентом запаса прочности :

.

Коэффициент запаса прочности, показывает во сколько раз допускаемое напряжение больше опасного (для пластичных материалов , для хрупких ).

Для выбора допускаемых коэффициентов запаса прочности в машиностроении пользуются двумя методами: табличным и дифференциальным.

Дифференциальный метод использует формулы, которые учитывают различные факторы, влияющие на прочность рассчитываемой детали:

,

где - коэффициент, учитывающий точность определения действующих на деталь нагрузок и возникающих в ней напряжений; - коэффициент, учитывающий однородность материала детали; - коэффициент, учитывающий специфические требования безопасности рассчитываемой детали.

При точных методах расчета рекомендуется принимать и при расчетах средней точности - 1,2...1,6.

Коэффициент для стальных деталей из поковок и проката равен 1,2... 1,5; для деталей из стального литья - 1,5...1,8; для чугунных деталей - 1,5...2,5.

Коэффициент ; большие значения - для дорогостоящих деталей и повышенной надежности.

Методы повышения прочности:

- механическое упрочнение (обкатка роликами, обдувка дробью и др.);

- закалка ТВЧ;

- химическое упрочнение (цементация, азотирование, цианирование);

- термо-механическое упрочнение.

Взаимозаменяемость.

Взаимозаменяемостью называется свойство независимо изготовленных с заданной точностью деталей обеспечивать возможность сборки без подгонки сопрягаемых деталей в сборочную единицу, а сборочных единиц – в изделие при соблюдении предъявляемых к ним требований.

При наличии взаимозаменяемости деталей упрощается и удешевляется эксплуатация машин и улучшается качество ремонта.

Взаимозаменяемость деталей машин обеспечивается системой допусков и посадок.