Прочностью, точностью, жесткостью, виброустойчивостью, стойкостью к тепловым воздействиям, износостойкостью, надежностью

По одному из них (или по нескольким) определяют размеры и выбирают материалы.

Прочность. Расчеты на прочность деталей машин осуществляют по допускаемым напряжениям, коэффициентам запаса прочности или вероятности безотказной работы.

Расчеты по допускаемым напряжениям наиболее просты и удобны, используются для машин массового производства, опыт эксплуатации которых значителен. Прочность деталей, например, станков исключает аварийные ремонты из-за их поломки. Поэтому допускаемое напряжение статически нагруженных деталей рассчитывают:

 для пластических материалов по пределу текучести

[σ] = σ_т/ n _т;

для хрупких материалов по пределу прочности

[σ] = σ_в/ n _в;

Здесь n _т = 1,1... 1,4 и n _в = 3...4 — коэффициенты запаса.

Прочность деталей, подвергающихся переменной нагрузке, рассчитывают с учетом факторов, влияющих на сопротивление при усталости — концентрации напряжений, размеров деталей, состояния поверхностного слоя.

Для конструкций, разрушение которых особенно опасно для жизни людей (паровые котлы, грузоподъемные машины), метод расчета и выбор коэффициентов запаса прочности регламентирован нормами государственного технического надзора.

Точность. Точность деталей машин — это совокупность точности формы и размеров отдельных участков детали, а также точности взаимного положения этих участков. Точность обработки характеризуется значениями допущенных при обраработке погрешностей, т.е. отступлением размеров обработанной детали от заданных по чертежу. Погрешности обработки должны находиться в пределах допусков. Кроме того, необходимо при обработке изделия получить заданную чистоту поверхности, которая непосредственно зависит от метода обработки и режимов резания. Точность машины будет в первую очередь зависеть от точности и чистоты поверхностей ее деталей. Однако при проектировании и изготовлении машин нужно учитывать и другие факторы, которые могут снижать ее точность.

Жесткость. Критерий жесткости в машинах является одним из важнейших. Особенно большое значение он имеет в станкостроении. Например, прецизионные станки приходится проектировать более массивными, чем другие машины для тех же нагрузок и мощностей. Жесткость станка влияет на точность обработки, виброустойчивость и долговечность.

Жесткостью узла называется его способность сопротивляться появлению упругих отжатий под действием нагрузки. Она может быть определена как отношение силы F, Н, приложенной к узлу в заданном направлении, к упругому отжатию этого узла δ, мм:

j = F/ δ .

Износостойкость. В результате постепенного изменения поверхностей трения при взаимодействии двух сопряженных деталей происходит износ. Изнашивание представляет собой процесс постепенного уменьшения размеров и изменения формы деталей.

По статистике большинство деталей машин выходит из строя изза износа. При износе имеют место пластические и упругие деформации, сдвиг, усталостные разрушения. Для большинства деталей наиболее характерен абразивный износ. Абразивные частицы могут попадать извне в смазку или непосредственно на трущиеся поверхности и разрушать эти поверхности. Кроме того, при относительном перемещении двух поверхностей микровыступы испытывают переменные напряжения, вследствие чего в дальнейшем наступает усталостное разрушение. Появляются микротрещины, что способствует отделению частичек материала. Таким образом, износ при перемещении двух поверхностей сопровождается абразивным износом за счет отделившихся частиц.

В большинстве случаев можно наблюдать три стадии износа (рис. 3.3): I — период приработки; II — установившийся (или нормальный) износ; III — катастрофический износ.

Рис. 3.3

Период нормальной эксплуатации машин (II стадия износа) характеризуется линейной зависимостью между временем изнашивания t и износом U (мкм). Скорость изнашивания у в этой стадии остается постоянной:

γ = U/t.

Для абразивного и усталостного износа величину износа можно определить по следующей зависимости:

U — k p v_отн t,

где k — коэффициент, зависящий от материала пар трения, смазки, микронеровностей и других факторов; р — удельное давление;

v_отн — скорость относительного скольжения.

Разделив обе части равенства на время t, получим

γ = kpv_отн

Для конкретных пар можно экспериментально определить коэффициент k и в дальнейшем прогнозировать долговечность работы многих деталей: направляющих скольжения станков, кулисных механизмов, дисков фрикционных муфт, ходовых винтов и гаек скольжения.

Износ вызывает резкое удорожание эксплуатации машин в связи с необходимостью периодической проверки их технического состояния, а также ремонта, а это связано с простоями и снижением производительности машин.

Существуют следующие мероприятия по повышению износостойкости: смазка трущихся поверхностей; применение износостойких материалов; защита поверхностей от загрязнения; перенос усилий с ответственных механизмов на менее ответственные и др.

Стойкость к тепловым воздействиям. Работа машины сопровождается тепловыделением, вызываемым рабочим процессом машин и трением в их механизмах. Тепловыделение, связанное с рабочим процессом, является особенно интенсивным у тепловых двигателей, электрических машин, литейных машин и машин для горячей обработки материалов. В результате теплового воздействия возникают температурные деформации, которые могут отрицательно влиять на работоспособность машин: понижать защитную способность масляного слоя в трущихся поверхностях и, следовательно, вызывать повышенный износ или заедание; изменять зазоры в подвижных соединениях; понижать точность машин (например, в металлорежущих станках в результате нагрева передней опоры шпинделя может произойти отклонение его оси, что приведет к снижению точности обработки).

Расчет температурных деформаций узлов машин может производиться, если известны температурные поля в деталях машины.

Виброустойчивость. Под виброустойчивостью понимают способность конструкций работать в заданном диапазоне частот без недопустимых колебаний. В связи с увеличением скоростей машин колебания становятся все более опасными. Если частота собственных колебаний узлов машины совпадет с частотой вынужденных колебаний, наступит резонанс. Это самое опасное состояние машины в целом, так как может произойти разрушение. Вибрации также нежелательны, так как они уменьшают долговечность машины. В машинах в основном наблюдаются вынужденные и параметрические колебания.

Вынужденные колебания возникают под действием внешней периодически изменяющейся силы по следующим причинам:

дисбаланс вращающихся деталей (например, ротора электродвигателя);

ошибки в шаге зубчатых колес (вход в зацепление будет сопровождаться ударом);

наличие внешних источников колебаний.

Параметрические колебания возникают при наличии какого-либо переменного параметра, например момента инерции поперечного сечения. Предположим, что на вращающийся вал действует постоянная сила. Если поперечное сечение вала — круг, у которого моменты инерции относительно всех осей одинаковые, то никаких колебаний не возникает. Если же в поперечном сечении имеется прямоугольник (так может быть выполнена у вала внутренняя полость), то вал под действием постоянной силы будет прогибаться по-разному, так как моменты инерции у прямоугольника относительно взаимно перпендикулярных осей различны.

Повышение жесткости узлов машины будет способствовать снижению вибраций. Наличие колебаний в машине чаще всего сопровождается шумом.

Основные меры борьбы с шумом: повышение точности и чистоты обработки, уменьшение силы удара конструктивными методами, применение демпферов и материалов с повышенным внутренним трением.

Надежность. Свойство изделия сохранять свою работоспособность в течение заданного промежутка времени, обусловленное безотказностью и долговечностью изделий, называется надежностью. Обеспечение надежности является одной из основных проблем в машиностроении.

Из-за недостаточной надежности промышленность несет огромные потери. Так, за весь период эксплуатации затраты на ремонт и техническое обслуживание машин в несколько раз превышают стоимость новой машины: для автомобилей — до 6 раз, для самолетов — до 5, для станков — до 8, для радиотехнической аппаратуры — до 12 раз.

Надежность з а к л а д ы в а е т с я при проектировании и расчете машины. При изготовлении машины о б е с п е ч и в а е т с я надежность. При эксплуатации машины р е а л и з у е т с я ее надежность.

Показатели безотказности и долговечности проявляются только при эксплуатации, зависят от условий использования машины, системы ее ремонта и технического обслуживания

Безотказность — это свойство изделия непрерывно сохранять свою работоспособность в течение заданного периода времени. В это понятие не включается техническое обслуживание, ремонт, подналадка. Изделие должно сохранять свои начальные параметры в допустимых пределах.

Долговечность — свойство изделия сохранять свою работоспособность в течение всего периода эксплуатации до предельного состояния. Здесь учитываются все ремонты и подналадки.

Полная или частичная утрата работоспособности изделий называется отказом.

Основным показателем долговечности элемента изделия является срок службы (наработка) t до отказа. При оценке надежности изделия очень важны экономические показатели. Повышение безотказности и долговечности машин связано с дополнительными материальными затратами.