Критерии работоспособности и расчета деталей машин. Понятия о прочности, жесткости, износостойкости, виброустойчивости и теплостойкости.

 

Выбор критерия для расчета обусловлен характером разрушения (видом отказа): для крепежных винтов – прочность, для ходовых винтов – износостойкость, для валов – жесткость.

Важнейшим критерием работоспособности является прочность, т.е. способность детали сопротивляться разрушению или возникновению недопустимых пластических деформаций под действием приложенных к ней нагрузок. Это абсолютный критерий. Ему должны удовлетворять все детали.

В курсе "ОК и ДМ" общие методы расчетов на прочность рассматривают в приложении к конкретным деталям и придают им форму инженерных расчетов. На практике применяют расчеты на прочность по номинальным напряжениям, по коэффициентам безопасности или по вероятности безотказной работы.

Расчеты по номинальным напряжениям выполняют в качестве предварительных для выбора основных размеров (для проектировочных расчетов). При этом используют номинальные эксплуатационные () и допускаемые () напряжения с целью выполнения условий по:

– нормальным напряжениям:

,

– касательным напряжениям:

,

Эти расчеты наиболее просты и удобны для обобщения опыта конструирования путем накопления данных о напряжениях в хорошо зарекомендовавших себя конструкциях, работающих в близких или сходных условиях. Наиболее полезны такие данные для машин массового выпуска, опыт эксплуатации которых велик.

Расчеты по коэффициентам безопасности. В отличие от расчета по номинальным напряжениям они учитывают в явной форме отдельные факторы, влияющие на прочность: концентрацию напряжений, отличие в размерах деталей и опытных образцов, наличие упрочнений, а поэтому более точны. Вместе с тем, эти расчеты сохраняют условность, так как коэффициент безопасности вычисляют для некоторых условных характеристик материалов и значений нагрузок.

В ответственных конструкциях выполняют расчет по вероятности безотказной работы. Для широкого применения этого метода требуется накопление достоверного статистического материала по действующим нагрузкам и физико-механическим характеристикам материалов. Важным при расчетах на прочность является точное выявление действительных эксплуатационных нагрузок.

Нагрузки, определяющие напряженное состояние деталей, можно подразделить на постоянные и переменные по времени. Постоянные нагрузки: силы тяжести (в транспортных и подъемно–транспортных машинах), давления жидкости или газа, от начальной затяжки резьбовых соединений, сил пластического деформирования заклепок.

Постоянные нагрузки могут вызывать переменные напряжения. Так, при вращении вала, нагруженного изгибающим моментом, одни и те же волокна его оказываются попеременно то в растянутой, то в сжатой зоне. Так же поочередный вход в зацепление зубьев зубчатых передач вызывает в них периодическое изменение напряжений.

Основные механические характеристики материалов (предел текучести σ_т, временное сопротивление σ_в) определяют при постоянных нагрузках.

Переменность нагружения обусловлена периодическим изменением нагрузок и соответственно напряжений. Продолжительность одного цикла нагружения называют периодом и обозначают Т. Нагружение с одним максимумом и с одним минимумом в течение одного периода при постоянстве параметров цикла называют регулярным нагружением.

Характеристикой напряженности детали является цикл напряжений – совокупность последовательных значений напряжений за один период их изменения при регулярном нагружении. Цикл напряжений (рис. 1) характеризуют максимальным , минимальным и средним напряжениями, амплитудой напряжений, периодом T, коэффициентом асимметрии R:

,

Рисунок 1 – Основные циклы нагружений

Основные циклы напряжений (рис. 1): а – асимметричный (крепежные винты, пружины), б – отнулевой (зубья зубчатых колес), в – симметричный (валы, вращающиеся оси).

Разрушение деталей машин, длительное время подвергающихся действию переменных напряжений, происходит при значительно меньших напряжениях, чем временное сопротивление или предел текучести.

Под действием переменных напряжений возникают необратимые изменения физико-механических свойств материала – усталостные повреждения (образование микротрещин, их развитие и разрушение материала). Процесс накопления повреждений называют усталостью.

Число циклов напряжений, выдержанных нагруженной деталью до усталостного разрушения, называют циклической долговечностью, которую можно оценить с помощью кривых усталости

Рисунок 2 – Кривая усталости

Кривые усталости получают опытным путем, задавая испытуемым образцам различные значения напряжений σ = σ_max (рис. 2) и определяя число N циклов, при котором происходит их разрушение. Кривые усталости описывают степенной функцией:

,

где С – постоянная, соответствующая условиям проведения эксперимента.

В завершение рассмотрения критерия прочности отметим, что такие разрушения, как смятие контактирующих поверхностей, их выкрашивание и изнашивание обусловлены действием контактных напряжений (напряжений в месте контакта криволинейных поверхностей двух прижатых друг к другу тел). Отказы около 50% деталей (зубчатые, фрикционные и червячные передачи, подшипники качения) обусловлены действием контактных напряжений. Подробнее контактная прочность рассмотрена в разделе "Механические передачи".

Жесткость – способность детали сопротивляться изменению формы и размеров под нагрузкой. Роль этого критерия работоспособности возрастает в связи с тем, что прочностные характеристики материалов (например, сталей) постоянно улучшаются, что позволяет уменьшить размеры деталей, а упругие характеристики (модуль упругости) при этом не изменяются. Так, за последние 50 лет временное сопротивление σ_в легированных сталей повысили от 500 до 1500 МПа при неизменном значении модуля упругости Е = 2,1· 10⁵ МПа.

Практические расчеты на жесткость проводят в форме ограничения упругих деформаций в пределах, допустимых для конкретных условий работы.

В уточненных расчетах прочности и жесткости деталей используют различные методы решения задач теории упругости, в частности метод конечных элементов (МКЭ). Этот метод реализуют на ЭВМ с большой памятью и высоким быстродействием.

Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию. Под изнашиванием понимают процесс разрушения и отделения вследствие трения материала с поверхности твердого тела, проявляющийся в постепенном изменении размеров или формы.

Износостойкость зависит от физико-механических свойств материала, термообработки и шероховатости поверхностей, от значений давлений или контактных напряжений, скорости скольжения, наличия смазочного материала, режима работы и т.д.

Износ (результат изнашивания) изменяет характер сопряжения, увеличивает зазоры в подвижных соединениях, вызывает шум, уменьшает толщину покрытия, снижает прочность деталей. Износ можно уменьшить, если разделить трущиеся детали смазочным материалом. В подшипниках скольжения с помощью гидродинамических расчетов определяют необходимую толщину масляного слоя. Для сравнительно медленно перемещающихся деталей (направляющие станков, ходовые винты) используют гидростатический контакт: масло в зону взаимодействия подают под давлением.

Универсального и общепринятого метода расчета на изнашивание нет. В большинстве случаев расчет проводят в форме ограничения действующих давлений р в местах контакта:

,

Исследованиями контактного взаимодействия твердых тел при их относительном смещении занимается новая наука триботехника.

Теплостойкость – способность конструкции работать в пределах заданных температур в течение заданного срока службы. Нагрев деталей в процессе работы машины приводит к:

1 Снижению механических характеристик материала и к появлению пластических деформаций – ползучести. Стальные детали, работающие при температурах ниже 300 °С, на ползучесть не рассчитывают.

2 Уменьшению зазоров в подвижных сопряжениях деталей и, как следствие, схватыванию, заеданию, заклиниванию.

3 Снижению вязкости масла и несущей способности масляных пленок. С повышением температуры вязкость минеральных нефтяных масел снижается по кубической параболе – очень резко.

Для обеспечения нормального теплового режима работы проводят тепловые расчеты (расчеты червячных и волновых редукторов, подшипников скольжения). При этом составляют уравнение теплового баланса (тепловыделение за единицу времени приравнивают теплоотдаче) и определяют среднюю установившуюся температуру при работе машины. С целью повышения теплоотдачи предусматривают охлаждающие ребра, принудительное охлаждение или увеличивают размеры корпуса.

Виброустойчивость – способность конструкции работать в диапазоне режимов, достаточно далеких от области резонанса. Вибрации снижают качество работы машин, увеличивают шум, вызывают дополнительные напряжения в деталях. Особенно опасны резонансные колебания.

В связи с повышением скоростей движения машин опасность вибраций возрастает. Поэтому расчеты на виброустойчивость приобретают все большее значение. Периодическое изменение внешних сил в поршневых машинах или сил от неуравновешенности вращающихся деталей, от погрешностей изготовления вызывает вынужденные колебания. При совпадении или кратности частоты вынужденных колебаний и частоты собственных колебаний наблюдают явление резонанса. При резонансе амплитуда колебаний достигает больших значений – происходит разрушение. Работать можно в до- или послерезонансной зонах. Переход через резонансную зону должен быть осуществлен достаточно быстро.

Расчеты на виброустойчивость выполняют для машины в целом. Они сводятся к определению частот собственных колебаний механической системы и обеспечению их несовпадения с частотой вынужденных колебаний.

К устройствам для снижения колебаний относят маховики, Упругодемпфирующие элементы и демпферы, рассеивающие энергию колебаний.