Критерии работоспособности и изнашивание деталей машин

Основным критерием качества машин является надежность — способность выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, со­ответствующих заданным режимам и условиям использования, техниче­ского обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. Проблема повышения надежности — одна из важнейших в машиностроении. Обес­печение надежности в технике регламентировано системой ГОСТов.

Надежность — комплексное свойство, которое может включать без­отказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость. Без­отказность и долговечность машины прежде всего связаны с ее работо­способностью, т. е. способностью выполнять заданные функции, сохра­няя значение заданных параметров в пределах, установленных норматив­но-технической документацией. Нарушение работоспособности машины называется отказом.

Основными критериями работоспособности машин являются проч­ность, жесткость и износостойкость, а в некоторых случаях тепло­стойкость и виброустойчивость. Понятия прочности и жесткости из­вестны из сопротивления материалов.

Прочностью называется способность материала детали в опре­деленных условиях и пределах воспринимать нагрузки не разрушаясь и без значительных остаточных деформаций. Основными критериями прочности материала являются предел текучести, предел прочности и предел выносливости.

Наиболее распространенным методом оценки прочности деталей машин является расчет по допускаемым напряжениям по условиям прочности

σ_max < [σ] или τ < [τ]

т. е. максимальные расчетные (действительные) нормальные или каса­тельные напряжения не должны превышать допускаемые.

Допускаемое напряжение при статической нагрузке есть отношение предельного напряжения (предел текучести — для пластичных, предел прочности — для хрупких материалов) к допускаемому коэффициенту запаса прочности [х], которые каждая отрасль машиностроения опреде­ляет на основании своего опыта эксплуатации деталей машин.

Предельное напряжение при переменных нагрузках — предел вынос­ливости. Допускаемое напряжение при расчетах на усталость опреде­ляется в зависимости от характера приложения нагрузки, числа циклов нагружения, концентрации напряжений, качества поверхности, размеров деталей и других факторов.

Второй распространенный метод расчета деталей машин на проч­ность — сравнение действительного коэффициента запаса прочности 5 с допускаемым по условию

S > [S]

Выбор допускаемого коэффициента запаса прочности является очень ответственной задачей, так как завышение [я] ведет к значительному уве­личению массы и габаритов конструкции, увеличивает ее стоимость, а занижение И делает конструкцию недостаточно надежной.

Жесткостью называется способность материала деталей сопро­тивляться изменению формы и размеров при нагружении. Жесткость со­ответствующих деталей обеспечивает требуемую точность машины, нор­мальную работу ее узлов. Так, например, нормальная работа зубчатых колес и подшипников возможна лишь при достаточной жесткости валов. Диаметры валов, определенные из расчета на жесткость, нередко оказы­ваются большими, чем полученные из расчета на прочность. Нормы же­сткости деталей устанавливаются на основе опыта эксплуатации деталей машин. Значение расчета на жесткость возрастает, так как вновь созда­ваемые высокопрочные материалы имеют значительно более высокие характеристики прочности (пределы текучести и прочности), а характе ристики жесткости (модули продольной упругости и сдвига) меняются незначительно.

Обеспечение износостойкости изделий регламентировано системой ГОСТов, в частности термины и определения, относящиеся к трению, изнашиванию и смазке, установлены ГОСТ 27674-¹-88.

Изнашиванием называется процесс отделения материала с по­верхности твердого тела и накопления его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и формы тела. Результат изнашивания называется износом. Свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения называется износостойкостью.

Установлено, что 85—90% машин выходит из строя в результате из­нашивания и лишь 10—15% в результате поломок, поэтому одним из важнейших условий прогресса народного хозяйства является изыскание путей снижения трения и изнашивания деталей машин.

В зависимости от происходящих процессов изнашивание можно подразделить на три вида: механическое, коррозионно-механическое и электроэрозионное. При дальнейшем изучении предмета мы будем иметь дело с некоторыми видами механического изнашивания, а именно:

абразивное изнашивание материала, происходящее в результате ре­жущего или царапающего действия твердых тел или частиц, попадающих в зону контакта деталей;

изнашивание при заедании, происходящее в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности тре­ния на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность; заедание может привести к задиру — появлению широ­ких и глубоких борозд в направлении скольжения;

усталостное изнашивание, происходящее в результате усталостного разрушения (отслаивания и выкрашивания) при повторном деформирова­нии микрообъемов материала поверхностного слоя. Усталостное изнаши­вание может происходить как при трении качения, так и при трении скольжения.

Контактные напряжения. Контактными называют напряже­ния и деформации, возникающие при взаимном нажатии двух соприка­сающихся тел криволинейной формы. Теоретический контакт тел в этом случае может быть линейным (например, сжатие двух цилиндров с парал­лельными образующими) или точечным (например, сжатие двух шаров). Вследствие деформации в местах соприкосновения элементов конструк­ций передача давлений происходит по весьма малым площадкам. Реше­ние вопроса о контактных напряжениях и деформациях впервые дано в работах немецкого физика Г. Герца в 1881—1882 гг.

Работоспособность деталей машин, на­ходящихся под действием контактных на­пряжений, определяется сопротивлением ус­талости рабочих поверхностей этих деталей.

Рассмотрим два цилиндрических ролика 1 и 2 с неподвижными осями, касающихся по общей образующей и прижатых друг к другу силой Q (рис. 1.1), причем ролик / ведущий и передает вращение ролику 2 за счет силы тре­ния F_тр = fQ, где f — коэффициент трения скольжения. В зоне соприкосновения роликов первоначальный линейный контакт по обра­зующей в результате деформации превращается в контакт по узкой по­лоске и возникают известные из сопротивления материалов контактные напряжения, вычисляемые по формуле Герца. Площадка контакта пере­мещается по поверхности роликов и в результате многократного дефор­мирования микрообъемов материала в поверхностном слое возникают усталостные трещины. Под действием сил трения происходят пластиче­ские сдвиги поверхностных слоев материала и образовавшиеся усталост­ные трещины наклоняются и вытягиваются в направлении сил трения (см. рис. 1.1). Если вращение роликов происходит в условиях обильной смаз­ки, то в трещины попадает масло, которое при прохождении зоны контак­та выдавливается из трещин ведущего ролика 1 и заклинивается в тре­щинах ведомого ролика 2, расширяя и углубляя их. Многократное повто­рение этого процесса приводит к отделению с поверхностного слоя мате­риала в форме чешуек (отслаивание) или отделению частиц, приводяще­му к образованию ямок (выкрашивание), прежде всего на рабочей по­верхности ведомого ролика.

При прохождении зоны контакта элементы поверхностного слоя ве­дущего ролика 1 переходят из состояния сжатия (что на рис. 1.1 обозна­чено тремя точками) в состояние растяжения (что обозначено тремя чер­точками), а у ведомого ролика 2, наоборот — из состояния растяжения в состояние сжатия. Это приводит к упругому скольжению рабочих по­верхностей роликов, в результате чего ведомый ролик имеет меньшую окружную скорость, чем ведущий, т. е. u₁>u₂. Рабочая поверхность, по которой точка контакта перемещается с большей скоростью, называется опережающей, а сопряженная поверхность — отстающей.

Сказанное выше, а также экспериментальные данные и опыт экс­плуатации машин позволяют сделать важный вывод, что сопротивление усталостному изнашиванию, а следовательно, и нагрузочная способ­ность у опережающих поверхностей выше, чем у отстающих. Это правило полностью справедливо и для рабочих поверхностей зубьев зубча­тых передач.

Обратим внимание на то, что направление силы трения и скорости относительно зоны контакта у отстающей поверхности совпадают, а у опережающей противоположны.

Расчет на контактную усталость рабочих поверхностей деталей ве­дется по допускаемым контактным напряжениям.

Далее приведем определения теплостойкости и виброустойчивости.

Теплостойкостью называется способность конструкции рабо­тать в пределах заданных температур в течение заданного времени. Для обеспечения нормального температурного режима проводят тепловые расчеты конструкций.

Виброустойчивостью называется способность конструкции работать в заданном диапазоне режимов без недопустимых колебаний. В связи с повышением скоростей машин расчеты на виброустойчивость становятся все более актуальными.

В заключение параграфа приведем определение ремонтопригодности и сохраняемости.

Ремонтопригодностью называется приспособленность из­делия к предупреждению и обнаружению причин возникновения его от­казов, повреждений и устранению их последствий путем проведения ре­монтов и технического обслуживания.

Сохраняемостью называется свойство изделия непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течение и после хра­нения и транспортирования.