Учет переменного режима нагружения при расчете деталей машин

Виды нагрузок, действующих на детали машин

Детали машин, в большинстве случаев работают при переменных нагрузках и скоростях. В качестве нагрузок, действующих на детали машин принимают:

1. Силу F [H, кH].

2. Изгибающий момент М, [H·м, кН·м].

3. Крутящий момент M_k _,[Н·м, кН·м].

Нагрузки, возникающие в процессе работы машины называют рабочими, и в зависимости от характера их изменения во времени различают следующие (рис.2,а,б,в):

Т, Нм

а) – постоянная нагрузка (самый тяжелый вид нагружения)

Т, Нм

б) – переменная нагрузка, изменяющаяся случайным образом

1 цикл

Т, Нм

в) переменная, циклически изменяющаяся по регулярному, например, симметричному циклу (самый опасный цикл).

Рис.2. Характер изменения нагрузки во времени

Цикл изменения нагрузки, который повторяется многократно, называют регулярным (Т – период цикла). Если вид переменного режима не указан, то расчет проводят для постоянного режима.

В зависимости от характера действия на деталь нагрузки бывают:

a) статические (плавно возрастают, практически не изменяются и плавно убывают);

б) динамические, которые характеризуются мгновенным изменением одного или нескольких следующих параметров: времени действия, направления приложения, модуля нагрузки, точки приложения.

По способу приложения нагрузки на деталь различают распределенные по длине (погонная нагрузка [H/м]) и по площади (давление [МПа]).

Кроме указанных на детали могут действовать сосредоточенные нагрузки, которые характеризуются точкой приложения, направлением действия, модулем.

В большинстве случаев на детали и узлы машин действуют переменные нагрузки и скорости. В этом случае необходимо учитывать переменный характер нагрузки, так как это способствует уменьшению металлоемкости и габаритов проектируемых машин и механизмов.

Рассмотрим некоторый переменный режим нагружения детали и запишем методику его учета при выполнении расчетов.

а). Нагрузка изменяется случайным образом

Т, Нм

Рис. 3. График переменного режима нагружения детали (а) и гистограмма нагружения (б)

Методика учета переменного режима нагружения при расчете деталей машин:

1. Суммарное время действия нагрузки на деталь разбивают на интервалы, для которых нагрузка имеет примерно одинаковый характер изменения (рис. 3,а).

2. В рамках каждого интервала переменную нагрузку заменяют на эквивалентную постоянную и проводят ее ранжирование.

3. Строят гистограмму нагрузки (рис.3,б). Наибольшую длительно действующую нагрузку принимают в качестве номинальной, которая используется при формировании методики расчета деталей машин, работающих при переменных нагрузках.

4. Переменную по величине нагрузку на гистограмме нагружения заменяют постоянной эквивалентной по своему действию на сопротивление усталости деталей. Существует 2 способа замены переменной нагрузки на эквивалентную постоянную.

1 способ. Для принятой максимальной длительно действующей нагрузки T_max=T₁ вычисляют эквивалентное число циклов N_Е ее изменения, за которое она оказывает такое же действие на сопротивление усталости детали, как и действительная переменная нагрузка (рис. 4).

Рис.4. Первый способ замены переменной нагрузки на постоянную

2 способ. Для заданного числа циклов изменяющейся нагрузки вычисляют эквивалентную постоянную нагрузку, которая за это число циклов окажет такое же действие на сопротивление усталости деталей, как и действующая переменная нагрузка (рис.5).

Рис.5. Второй способ замены переменной нагрузки на постоянную

При расчете зубчатых, червячных, планетарных передач используют 1 способ учета переменного режима нагружения, который стандартизован.

б). Нагрузка изменяется по типовому режиму

Установлено, что нагрузки в виде гистограмм для деталей и узлов приводов типовых устройств различаются незначительно. К типовым устройствам относят конвейеры, механизмы подъема грузоподъемных машин, подъемники, элеваторы и др. Проведена статистическая обработка гистограмм нагружения типовых устройств и выделено 6 типовых режимов нагружения, графики которых имеют вид (рис.6).

Рис.6. Типовые режимы нагружения

0 – постоянный режим, характерный для деталей и узлов приводов насосных станций для перекачивания жидкости (вода, нефть);

I – тяжелый режим нагружения (горные машины, камнедробильные устройства);

II – средний равновероятностный детали и узлы приводов

III – средний нормальный транспортирующих машин;

IV – легкий детали и узлы приводов металлорежущих

V – особо легкий станков, сварочных машин;

Типовые режимы нагружения строят на основе гистограмм:

а) для постоянного режима (0)

Рис. 7. Построение графика постоянного режима нагружения

; – координаты первой точки на графике;

– координаты второй точки на графике (рис.3);

б) для переменного тяжелого режима (I)

координаты первой точки (рис.6)

координаты второй точки и т.д.

Для выделенных типовых режимов нагружения установлены коэффициенты эквивалентности, которые учитывают их переменность при расчете деталей машин. Например, при расчете зубчатых передач (табл.1).

Таблица 1. Значения коэффициентов эквивалентности µ_H и µ_F при расчетах зубчатых передач.