2018-03-09
486
Нагружения.
Работоспособность машины во многом определяется надежностью составляющих элементов, т.е. тем состоянием, при котором она способна выполнять заданные функции, сохраняя при этом допустимые значения эксплуатационных показателей согласно нормативно – технической документации и заданным режимам в течении требуемого промежутка времени. Надежность зависит от назначения машины, условий эксплуатации и включает в себя показатели безотказности, долговечности и рем онтопригодности.
Безотказность характеризует возможность машины сохранять работоспособность. Это связано с отказами машины или элементов машины выполнять производственную функцию, вероятность которых Q(t) при испытании N0 изделий в течении времени t определяется зависимостью
Q(t) = Nотк/ N0, (1.1)
где - Nотк количество отказов.
Вероятность безотказной работы при этом равна
Р(t) =1 - Q(t) (1.2)
Интенсивность отказов l(t) определяется числом отказов в единицу времени t и будучи соотнесена с числом исправных элементов Nи равна
|
|
|
l(t) = 
× 
(1.3)
Тогда наработка на отказ Тот т.е среднее время между отказами может быть ориентировочно установлено с помощью зависимости Тот =1/ l, вероятность безотказной работы Р(t) установить с помощью формулы
Р(t) = 
(1.4)
Прогноз технического состояния машины на основе оценки эксплуатационной надежности ее компонентов позволяет предотвратить отказ в работе, провести своевременное восстановление свойств на уровне ремонтопригодности и обеспечить долговечность.
Долговечность определяет предельное состояние объекта, при на-ступлении которого невозможна его дальнейшая эксплуатация.
Нагрузку, которую воспринимают детали в процессе эксплуатации машины называют рабочей. Наиболее характерную для конкретного эксплуатационного режима рабочую нагрузку называют номинальной. Номинальную нагрузку принимают в качестве исходной при определении расчетной нагрузки, которая зависит от условий нагружения элемента конструкции и критериев его работоспособности.
Различают нормативные, случайные и эквивалентные нагрузки. Нормативные нагрузки формируются основными характеристиками механизма в предполагаемых условиях эксплуатации. Случайные нагрузки представляют собой отклонения от нормативных. Эквивалентной считается нагрузка при условно – стационарном режиме работы механизма, которая по своему воздействию равноценна фактически действующей в реальном нестационарном режиме.
Нагрузки могут быть заданы усилием F (Н) и моментом Т (Н×м). Нагрузки, влияющие на показатели работы механических компонентов различны по характеру, величине и длительности действия. Они могут быть постоянными и переменными. Величина и направление переменных нагрузок могут повторяться с определенной последовательностью. Такие нагрузки называют циклическими. Совокупность последовательных значений нагрузок (внешних или внутренних) за один период их изменения называют циклом. Характеристикой цикла по форме является коэффициент асимметрии R, который представляет собой отношение минимальной нагрузки в цикле к максимальной нагрузке.
|
|
|
Различают циклы нагружения:
- отнулевой, когда нагрузка меняется от нуля до максимума (R =0)
- знакопеременный симметричный, когда нагрузка меняется от отрицательного до такого же положительного значения(R = - 1)
- асимметричный, когда минимальные и максимальные нагрузки не равны друг другу.
Под действием нагрузок в материалах деталей возникают напряжения, характер которых определяется внешним воздействием.
Под действием нагрузок в материале механических компонентов возникают напряжения, вызывающие деформацию структуры материала.Под действием нормально приложенных сил (растяжение,сжатие) или изгибающих моментов возникают нормальные напряжения s, перпендикулярные к сечениям деформируемого элемента. Под действием поперечных сил или крутящих моментов возникают касательные напряжения t, которые расположены по касательной к деформируемому сечению.
Переменные нагрузки вызывают внутренние усилия непостоянного характера.
В случае, когда переменная нагрузка имеет циклический характер, она вызывает циклические изменения напряжений в соответствии
с формой цикла нагружениясо следующими параметрами:
- среднее напряжение sm или tm
sm =(smax + smin)/2, tm =(tmax + tmin)/2; (1.5)
- амплитуда sa или tа
sa =(smax – smin)/2, tа =(tmax – tmin)/2; (1.6)
- коэффициент асимметрии R s или R t
R s= smin / smax, R t= tmin / tmax. (1.7)
В выражениях (1.5)…(1.7) smax и smin, tmax и tmin максимальные и минимальные значения соответственно нормальных и касательных напряжений.
Коэффициент асимметрии цикла проставляют нижним индексом при знаке напряжения: sR – при обозначении нормальных напряжений; tR – при обозначении касательных напряжений.
Под действием циклических нагрузок детали выходят из строя быстрее, чем при статических нагрузках, т.к. при циклическом нагружении изменения структуры материала накапливаются и вызывают более ранний (усталостный)отказ в работе объекта. Зависимость предельного числа циклов нагружения, при которых произошло разрушение, на фиксированных уровнях напряжений отражается функцией выносливости, которая устанавливается для каждого конкретного материала на основе экспериментальных данных.
Наибольшее напряжение цикла, которое деталь может выдержать не разрушаясь с заданной вероятнстью при практически неограниченном цикле нагружений, называют пределом выносливости.
Уравнение функции выносливости имеет вид
sq × N c= const, (1.8)
где s – заданный уровень напряжения, МПа; N c – предельное число циклов нагружения; q – показатель степени кривой выносливости (зависит от напряженного состояния, формы детали, механических характеристик, термообработки и т.п.).
На уровне предела выносливости кривая становится практически горизонтальной линией.
Если число циклов нагружения ограничено базовой величиной, то наибольшее напряжение цикла называют пределом ограниченной выносливости s limb. Предел контактной выносливости, соответствующий базовому числу циклов перемены напряжений, s Нlimb, является предельным значением, при котором не наступает отказ по причине разрушения активных поверхностей контактирующих элементов в результате развития усталостного выкрашивания. Предел выносливости при изгибе, соответствующий базовому числу циклов перемены напряжений, s Flimb, является предельным значением, при котором не наступает усталостного разрушения детали.
|
|
|
Причинами выхода из строя элементов механических систем, как правило, являются конструктивные поломки, повреждение поверхности и опасная деформация. Среди критериев работоспособности и надежности машин можно выделить прочность, жесткость и износостойкость.
Прочность – это свойство материала воспринимать нагрузку не разрушаясь. При этом характеристиками прочности являются пределы пропорциональности, текучести, разрушаемости, выносливости. Расчеты на прочность ведут по номинальным допускаемым напряжениям, по коэффициентам запаса прочности или по вероятности безотказной работы с учетом характера действующих напряжений и их цикличности.
Распространение получил метод сравнения расчетных напряжений, возникающих под действием эксплуатационных нагрузок, с допускаемыми значениями для данного материала,вида нагружения и запаса прочности.
Расчет по допускаемым напряжениям обычно выполняют как проектировочный. Допускаемые напряжения и коэффициенты запаса прочности устанавливают на основании нормативных документов.
Для пластичных материалов в качестве предельных напряжений при постоянных во времени нагрузках принимают предел текучести s т (при растяжении, сжатии, изгибе) и t т (при кручении).
Для хрупких материалов в качестве предельных напряжений при постоянных во времени нагрузках принимают предел прочности sв (при растяжении, сжатии, изгибе) иtв (при кручении и срезе).
В расчете на прочность элементов при переменных нагруженияхях в качестве предельных напряжений принимают соответствующие пределы выносливостиматериала.
Расчет по коэффициенту запаса прочности обычно выполняют как проверочный. В этом случае сравннивают действительный коэффициент запаса прочности S с его допускаемым значением [S].
|
|
|
Коэффициент запаса прочности при сложномнагружении устанавливают с учетом запаса прочности всех составляющих.
Неоднородная структура материала и технологические погрешности изготовления вызывает разброс показателей напряженно – деформированного состояния объекта. В этом случае разрушающие и действующие напряжении являются величинами случайными с соответствующей функцией распределения, которая отражает вероятность разрушения элемента и характеризует качественные особенности оценки прочностной надежности. Для конструктивных элементов машин допускают вероятность разрушения [P]= 0,10…0,001.
Одним из наиболее общих условий применимости элементов привода машины является условие их равнопрочности.
Правила эксплуатации машин и механизмов определяются требованиями Ростехнадзора. В Правилах даны указания по вопросам, относящимся к технической эксплуатации и ремонту механизмов: организация надзора и обслуживания, порядок регистрации; разрешение на пуск в работу; технические освидетельствования; разрешение на изготовление и ремонт; материалы и сварка. Технические освидетельствования, предусматриваемые Правилами, делятся на полное, включающее дефектоскопию, статическое и динамическое испытания, и частичное, проводимое без испытаний.
Полному техническому освидетельствованию подвергают вновь установленные механизмы, находящиеся в эксплуатации (не реже одного раза в 3 года), а также механизмы после переноса их на новое место работы, реконструкции и некоторых ремонтных работ. Частичное освидетельствование предусматривают не реже одного раза в 12 месяцев.
Правила предусматривают три вида освидетельствований: первоначальное, периодические и внеочередные.
Первоначальное освидетельствование сопровождается испытанием и полным освидетельствованием механизмов.
Периодические испытания проводят не реже чем один раз в пять лет.
Внеочередные освидетельствования и испытания производят после замены, переоборудования или ремонта механизмов или их деталей, а также после аварий.
Механизм сначала испытывают пробной нагрузкой при статическом режиме. Затем производят испытания пробной нагрузкой при работе механизмов с полными скоростями и предусмотренным совмещением движений. Одновременно проверяют действие тормозов и концевых выключателей.
Статические испытания механизмов проводят нагрузкой, превышающей ее номинальное значение на 25 %. Динамические испытания механизмов производят нагрузкой, превышающей на 10 % номинальное значение
Режимы работы машин
Эксплуатационные нагрузки машины (механизма) в течение всего срока службы неодинаковы. Совокупная оценка характерных нагрузок с учетом их времени действия и общим временем эксплуатации называется режимом работы механизма. Режимы работы (таблица 1.1) устанавливают по классу использования (таблица 1.2) и классу нагружения (таблица 1.3).
Таблица 1.1 – Группа режима работы механизмов по ГОСТ 25835 – 83
| Класс использования | Группа режима работы механизма для класса нагружения | Класс использования | Группа режима работы механизма для класса нагружения | ||||||
| В1 | В2 | В3 | В4 | В1 | В2 | В3 | В4 | ||
| А0 | 1М | 1М | 1М | 2М | А4 | 3М | 4М | 5М | 6М |
| А1 | 1М | 1М | 2М | 3М | А5 | 4М | 5М | 6М | 6М |
| А2 | 1М | 2М | 3М | 4М | А6 | 5М | 6М | 6М | 6М |
| А3 | 2М | 3М | 4М | 5М | |||||
Класс использования механизма (таблица 1.2) устанавливают по времени работы L h.
Таблица 1.2 – Классы использования механизмов (ГОСТ 25835-83)
| Класс использования | А0 | А1 | А2 | А3 | А4 | А5 | А6 |
| Общее время работы механизмовLh, ч | До 800 | 800 … 1600 | 1600 … 3200 | 3200 … 6300 | 6300 … 12500 | 12500… 25000 | 25000… 50000 |
Общее время работы L h механизма рассчитывают по следующей формуле
L h=365×24 × Т h× K г× K с× K р× ПВ% /100,(1.9)
где Т h–срокслужбы, лет; K г –коэффициент годового использования при числе дней работы в году T г (K г= T г/365); K с–коэффициентсуточногоиспользованиямеханизма при количествеработычасов в сутки t с (K с= t с/24); K р– коэффициент часового использованиямеханизма, который при количествеминутработымеханизма в течениечаса t р, (K р = t р / 60);ПВ – относительная продолжительность включения.
Относительная продолжительность включения (ПВ) характеризует интенсивность использования механизма и вычисляется по формуле
ПВ=(t в/ t ц)×100%, (1.10)
где t в – часть цикла, когда механизм включен и работает; t ц–полноевремяцикла.
Полноевремяциклавключает в себя: время пуска t п, время движения с установившейся скоростью t у, время торможения t т и время пауз t пауз
(tц =tп+tу +tт +tпауз). Для механизмовпринимаютtц не более одного часа.
Для двигателей повторно - кратковременного режима допустимое время цикла установлено равным 10 мин. Если tц>10 мин, то режим работы двигателя считается продолжительным ПВ=100%.
Общее времени работы механизма назначается с учетом наибольшей экономичности для ожидаемых условий использования механизма. Для механизмов, у которых предусмотрен капитальный ремонт норма устанавливается до капитального ремонта.
Для механизмов, у которых капитальный ремонт не предусмотрен норма устанавливается до списания.
Класс нагружения механизмов (таблица 1.3) устанавливают по коэффициенту нагружения К.
Таблица 1.3– Класс нагружения механизма и его характеристики
(ГОСТ 25835-83)
| Класс нагружения | Коэффициент нагружения К | Качественная характеристика класса нагружения |
| В1 | До 0,125 | Работа при нагрузках значительно меньше номинальной и в редких случаях ей равных |
| В2 | 0,125…0,25 | Работа при средних и номинальных нагрузках |
| В3 | 0,25…0,5 | Работа преимущественно при номинальных и близких к номинальным нагрузкам |
| В4 | 0,5…1,0 | Постоянная работа при номинальных и близких к номинальным нагрузкам |
Коэффициент нагружения К вычисляют по следующей формуле
К =å[(Q i /Q max)3×(t i /åt i)], (1.11)
где Q i – нагрузка, действующая на механизм в течение времени t i; Qmax –
наибольшая нагрузка, действующая на механизм в течение времени его работы; t i – продолжительность времени действия нагрузки Q i; åt i – суммарное время действия нагрузок на механизм.
Значения нагрузок определяют для концевого звена кинематической цепи механизма (канатный барабан и т.п.), с учетом всех факторов, включая и процессы неустановившегося движения.
Число циклов N сiнагружения элемента каким – либо силовым воздействием, выраженным через Тi илиQ i, за время t i при частоте вращения ni равно
N сi= 60× ni ×t i. (1.12)
Суммарное число циклов нагруженияNсå за время Lhнагруженияэлементаравно
N сå= N с1 + N с2+…+ N ск, (1.13)
где N с1, N с2,…, N ск – число циклов нагружения элемента внешним воз-действием Т 1, Т 2, …, Т к соответственно за периоды времени t 1, t 2,…, t к t 1 + t 2 +…+ t к = L h). Величины t 1, t 2, …, tк представляют собой совокупное время действия нагружающих воздействий Т 1, Т 2, …, Т к в различные периоды в течение всего срока службы.
Эксплуатационные нагрузки Т 1, Т 2, …, Т к можно сгруппировать по величине в относительных единицах, сопоставив с максимальной Т max величиной (Т 1/ Т max, Т 2/ Тmax, …, Т к/ Тmax) и установить их время действия относительно всего срока службы (t 1/ t h, t 2/ t h,…, t к/ t h) или относительно общего числа циклов нагружения (N с1/ N сå, N с2/ N сå, …, N ск/ N сå).
Удельный вклад каждой совокупности нагрузок в сочетании со временем их действия относительно общей загрузки механизма является основанием для назначения типа режима нагружения.
В Правилах Госгортехнадзора различают режимы работы механизма легкий (Л), средний (С), тяжелый (Т) и весьма тяжелый (ВТ).
На рисунке 1.17 показаны циклограммы нагруженности механизма подъема.
Рисунок 1.17– Графики загрузки механизма подъема груза по режимам:
1 – легкий режим; 2 – средний режим; 3 – тяжелый режим
На основе статистической обработки реальных эксплуатационных режимов получены типовые режимы нагружения механизмов.
ГОСТ 21354 – 87 предлагает следующие типовые режимы нагружения: постоянный П, тяжелый Т (b - распределение), средний равновероятный Р (равновероятное распределение), средний нормальный Н (нормальное распределение), легкий Л (g - распределение) и особо легкий Ло (b - распределение).
В таблице 1.4 и на рисунке 1.18 изображена упорядоченная зависимость между нагружающими моментами и числом циклов нагружения в относительных координатах T / T max и N с/ N сå.
Таблица 1.4 – Типовые режимы нагружения (ГОСТ 21354 –87)
| Виды режимов нагружения | Функция распределения | Параметры функции рас-пределения |
| 1) Тяжелый режим – интегральная функция b- распределения | Ф(ni)= 
| a =6; b =2 nср=0,77 |
| 2) Средний – равновероятный, интегральная функция равновероятного распределения | Ф(ni)= 
| nср=0,5 |
| 3) Средний – нормальный, интегральная функция нормального распределения | Ф(ni)= 
| nср=0,5; s=0,19 |
| 4) Легкий – интегральная функция b - распределения | Ф(ni)= 
| а=2,2; b=3,0 nср=0,42 |
| 5) Особо легкий – интегральная функция b- распределения | Ф(ni)= 
| a=1,8; b=4,0 nср=0,31 |
| Примечание. Коэффициенты: ni= Т i / T max; nср= T ср / T max, где T i – текущий вращающий момент на ведущем элементе, соответствующий числу циклов нагружения Nсi; Т max – максимальное значение вращающего момента; T ср – среднее значение вращающего момента. | ||
Рисунок 1.18 – Типовые режимы нагружения (ГОСТ 21354 – 87):
0 – постоянный; 1 – тяжелый; 2 – средний равновероятный;
3 – средний нормальный; 4 – легкий; 5 – особо легкий
Особенности циклограмм отражает коэффициент интенсивности m,
который характеризует интенсивность типового режима при базовом
числе циклов N lim.:
- для ступенчатой циклограммы (рисунок 1.17)
m =å(Т i / Т max)3(N ci/ N lim); (1.14)
- при плавном характере циклограммы
m = 
(1.15)
Соответствие режима нагружения механизма одному из типовых режимов устанавливается по подобию форм кривых и по среднему значению нагрузок. В расчетах следует принимать типовой режим наиболее близкий к фактическому в области больших нагрузок путем сравнения реальной циклограммы с типовыми или эквивалентными режимами нагружения. Группы режимов работы механизмов по ГОСТ 25835–83, типовые режимы по ГОСТ 21354 – 87 и режимы по правилам Ростехнадзора приведены в таблице 1.5.
Таблица 1.5 – Соответствие групп режимов работы механизма
| Режим эксплуатации по ГОСТ 21354–87 | «0» непрерывный | «1» тяжелый | «2» средний равновероятностный | «3» средний нормальный | «4» легкий | «5» Особо легкий |
| Режим работы по ГОСТ 25835–83 | 6М | 5М | 4М | 3М | 2М | 1М |
| Режим работы по правилам Ростехнадзора | «ВТ» ПВ(%)= 63…100 | «Т» ПВ(%)= 40…63 | «Срв» ПВ (%)= 25…40 | «Сн» ПВ (%)= 25…40 | «Л» ПВ(%)= 16…25 | «Ло» ПВ<16% |
Эквивалентное число циклов нагружений определяется по формуле
N Е=m× N сå. (1.16)
Этот параметр используют для установления эквивалентности реальных режимов типовым, а также для определения коэффициента долговечности К L. Коэффициент долговечности K Lустанавливает соответствие между базовым N 0 и эквивалентным числом циклов N E
K L =(N 0/ N E)1/q. (1.17)
Характеристики режимов учитываются при расчетах на прочность конструкции.
1.4. Энерго - кинематические параметры привода машины
Энерго - кинематические параметры привода машин выражают ее способность работать в заданном нагрузочном режиме. Основными характеристиками привода являются мощность Рi (кВт) на валах и вращающий момент Тi (Н×м). Валы вращаются с соответствующими угловыми скоростями wi (рад/с) при частотевращениявалов ni (об/мин). Угловая скорость wi ичастота вращения вала ni связаны зависимостью
wi =p× ni /30. (1.18)
Вращающий момент и мощность на валах связаны соотношениями через угловую скорость
Тi = 103× Рi / wi. (1.19)
При работе механизма происходят потеря мощности, которая отражается коэффициентом полезного действия hм.
Для многоступенчатого привода общий коэффициент полезного действия hм равен произведению КПД каждой кинематической пары и других звеньев привода, где существует рассеивание энергии (подшипники, муфты и т.п.) h1,h2,…hn
hм=h1×h2×…hn. (1.20)
Таким образом, эти потери обуславливают превышение требуемой мощности Р тр по отношению к потребляемой (рабочей) P р
Р тр= P р/hм. (1.21)
В случае, когда выходные параметры заданы тяговым усилием F р(Н) и скоростью перемещения рабочего органа vр (м/с) величина рабочей мощности Р р равна
Р р=10-3× F р×vр. (1.22)
В случае, когда выходные параметры заданы вращающим моментом Т р (Н×м) и угловой скоростью w р (рад/с) величина рабочей мощности Р р равна
Р р=10-3× Т р× w р (1.23)
По требуемой мощности, условиям эксплуатации и режиму работы привода с учетом продолжительности включения ПВ% выбирают электродвигатель.
В случае, когда фактическая продолжительность включения (ПВф) не совпадает с номинальными значениями (ПВн), двигатель выбирают по значению номинальной мощности Р н (кВт)
Р н= Р ф×(ПВф/ ПВн)1/2, (1.24)
где Р ф – фактический расход мощности, кВт; ПВн – из технической документации.
Если кинематическая схема привода состоит из последовательно соединенных передач, то мощность передаваемая каждым последующим валом, начиная от вала двигателя, рассчитывают с учетом потерь на соответствующей ступени:
Р 1= Р дв; Р 2= Р 1×h1; …; Р k= Р k-1×hk-1, (1.25)
где Р 1, Р 2,…, Р k – мощность на 1-ом, 2-ом,…, k -ом валах привода;h1, h1,…,hk-1–коэффициенты полезного действия 1-ой, 2-ой,…,(k -1)-ой ступени соответственно.
Зависимость между частотами вращения вала двигателя n дв и выходного вала привода n выхопределяет общее передаточное отношение i пр приводамашины
i пр= n дв/ n вых. (1.26)
Передаточное отношение привода, в состав которого входит несколько передач, равно
i пр= i 1× i 2×… × i k, (1.27)
где i 1, i 2,…, i k передаточные отношения 1-ой, 2-ой,…, k -ой ступени привода.
Установление передаточных отношений передач, составляющих привод машины, производят в соответствии с нормативными рекомендациями.
Частота вращения последовательно рассмотренных валов привода n 1, n 2,…, n k определяется соотношениями:
n 1= n дв; n 2= n дв/ i 1; …; n k= n k-1 / i к. (1.28)
Вращающий момент Т (Н×м) для каждого вала рассчитывают по формулам:
T 1=9,55×103× Р 1/ n 1; T 2=9,55×103× Р 2/ n 2; …; T k=9,55×103× Р k/ n k. (1.29)
Вращающие моменты Т (Н×м) в планетарных передачах рассчитывают на основании соотношений (без учета сил трения):
Т h/ T a= i ah(b); Т h/ T b= i bh(a); Т b/ T a= i ab(h), (1.30)
где T a, T b, Т h – моменты внешних сил, приложенных соответственно к колесам а, b и водилу h; i ah(b), i bh(a), i ab(h)– передаточные отношения пар звеньев механизма (a – h, b – h, a – b)при остановленном соответствующем третьем звене (b, a, h).
Уравнение равновесия внешних вращающих моментов в планетарных механизмах служит для контроля и имеет вид
Т h– T b– T a=0. (1.31)
Коэффициент полезного действия планетарных передач выражают через коэффициент потерь передачи, полученный при условной остановке водила с учетом сохранения нагрузок и относительных скоростей.
