Критерии работоспособности и расчета деталей машин

РАЗДЕЛ 3. ДЕТАЛИ МАШИН

Тема 3.1.1 Цели и задачи раздела. Механизм, машина, деталь, сборочная единица. Критерии работоспособности и расчёта деталей машин.

 

Основные понятия

Механизмом называется система тел, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких твердых тел в требуемые движения других твердых тел.

Механизмов на сегодняшний день создано очень много, наиболее распространенные -это зубчатые, фрикционные, винтовые, рычажные, с гибкими звеньями и др.

Машиной называется механическое устройство, выполняющее движения для преобразования энергии, материалов или информации.

Основное назначение машины — частичная или полная замена производственных функций человека с целью облегчения его труда и повышения производительности.

Машины, детали которых рассматривает наш курс, — это энергетические (двигатели тепловые, электрические, генераторы, компрессоры и др.), технологические (станки, прессы и пр.), транспортные и подъемно-транспортировочные (краны, конвейеры, автомобили, самолеты, поезда и т.п.). Все эти машины состоят из деталей, чаще всего объединенных в сборочные единицы.

Деталью называется изделие, изготовленное без применения сборочных операций, например зубчатое колесо, шкив, звездочка, болт, гайка и т.д.

Сборочная единица (иногда в технической литературе называемая узлом) — это изделие, составляющие детали которого подверглись соединению между собой сборочными операциями. К ним относятся, например, подшипники качения, муфты, тормоза и пр.

Из большого разнообразия деталей и сборочных единиц выделяют такие, которые встречаются в большинстве машин (болты, валы, зубчатые колеса, подшипники, пружины и т.п.). Эти детали и сборочные единицы общего применения и рассматриваются в курсе «Детали машин».

Целью курса «Детали машин» является изучение основ расчета и конструирования деталей и сборочных единиц общего назначения с учетом требований, предъявляемых к машинам и их составляющим частям.

Требования, предъявляемые к деталям и сборочным единицам машин

Машины в целом и их составляющие — детали и сборочные единицы — должны обладать следующими качествами: работоспособностью, надежностью, технологичностью, экономичностью и эстетичностью.

Работоспособностью называют состояние деталей и сборочных единиц, при котором они способны нормально выполнять заданные функции с теми параметрами, которые установлены нормативно-технической документацией (стандартами, техническими условиями и т.д.).

Надежностью называется свойство изделия сохранять заданные эксплуатационные показатели в течение заданного промежутка времени или требуемой наработки (например, пробег у автомобилей, площадь обработанной земли у сельхозмашин, часы работы станка и т.д.). Надежность закладывается на всех этапах создания и эксплуатации изделий.

Технологичностью называется свойство, обеспечивающее минимальные затраты средств, времени и труда в производстве, эксплуатации и ремонте изделий.

Технологичность обеспечивается большим числом факторов, таких как унификация или единообразие деталей, максимальное применение стандартных конструктивных элементов деталей, стандартных допусков и посадок, использование материалов, удобных для обработки (резанием, давлением, сваркой и т.д.), а также возможность объединения систем автоматизированного проектирования и производства. Заметим, что последнее уже осуществлено на предприятиях с высокой культурой производства, и там процесс проектирования и передачи информации автоматам-изготовителям осуществляется электронным образом без чертежей, т.е. без бумажного носителя.

Экономичность — это свойство, которое учитывает затраты на проектирование, изготовление, эксплуатацию и ремонт. Экономичность достигается оптимизацией параметров изделий, минимумом материало-, энерго- и трудоемкости производства, максимального КПД машины в эксплуатации при высокой надежности и т.п.

Эстетичность — это совершенство внешних форм изделий и машины в целом, попросту говоря, их красивый внешний вид (окраска, полировка, гальваническое покрытие и пр.). Известны случаи, когда легковой автомобиль, окрашенный в удачный цвет, выигрывал по конкурентоспособности у другого автомобиля, более совершенного по конструкции, но неудачного цвета.

Критерии работоспособности и расчета деталей машин

К критериям работоспособности деталей машин относятся прочность, жесткость, износостойкость, коррозионная стойкость, теплостойкость, виброустойчивость.

Значимость того или иного критерия для конкретной детали зависит от ее функционального назначения и условий работы. Если говорить, например, о винтах, то для крепежных винтов главным критерием является прочность, а для ходовых — износостойкость.

Главным критерием работоспособности большинства деталей является прочность.

Прочность- способность материалов воспринимать нагрузки не разрушаясь.

Если не соблюден этот критерий, то о других говорить не приходится. При недостаточной прочности детали разрушается нередко не только она сама, но и вся машина, что приводит к материальным потерям, а часто и к несчастным случаям.

Разрушение деталей может наступить из-за потери статической прочности или сопротивления усталости. Первый вид разрушения происходит тогда, когда значение возникающих при работе напряжений превышает предел статической прочности материала (при работе детали возникают не предусмотренные расчетом нагрузки или в детали оказались скрытые дефекты).

Усталостное же разрушение детали происходит в результате длительного воздействия на нее переменных напряжений, превышающих предел выносливости материала. Сопротивление усталости значительно снижается из-за концентраторов напряжений, связанных обычно с конструктивным исполнением детали (канавки, проточки, переходы сечений и т. п.). В курсе «Детали машин» общие методы расчетов на прочность, изученные студентами в курсе «Сопротивление материалов», рассматривают в приложении к конкретным деталям и придают им вид инженерных расчетов.

Жесткостью называется способность детали сопротивляться изменению своей формы и размеров под нагрузкой.

Для некоторых деталей изменения формы или размеров, еще не приводящие к потере прочности, могут вызвать поломку или недопустимые условия работы устройства. Например, сильный прогиб вала червяка в червячной передаче может вызвать разрушение зубьев передачи. При недостаточной жесткости станка или обрабатываемой детали может быть произведена бракованная продукция.

Износостойкость — это свойство детали оказывать сопротивление изнашиванию. Под изнашиванием понимают процесс разрушения поверхности детали при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров или формы. Износостойкость зависит от целого комплекса факторов: механических свойств материала, химико-термической обработки и шероховатости поверхностей, величины давлений или контактных напряжений, скорости скольжения, смазочных материалов и режима смазки и пр. Изнашивание снижает КПД механизмов, прочность деталей, увеличивает зазоры в подвижных соединениях, изменяет характер сопряжений деталей, вызывает шум при работе. Продукты изнашивания, попадая в смазку, разносятся ею, оказывая негативное влияние на работу других деталей.

Сегодня 85...90% машин выходит из строя в результате изнашивания и только 10...15% по другим причинам. Следовательно, изучение трения и изнашивания в машинах чрезвычайно важно

Коррозионная стойкость — это способность изделий противостоять коррозии или разрушению поверхностных слоев металла в результате окисления.

Из-за коррозии ежегодно теряется около 10 % всего выплавляемого металла. При коррозии существенно сокращаются износостойкость и сопротивление усталости. Для защиты от коррозии применяют специальные покрытия и методы, изделия изготовляют из металлов, устойчивых к коррозии, «чемпионом» среди которых является титан, а также из нержавеющих сталей, алюминиевых сплавов, пластмасс. Особое внимание следует уделять деталям, работающим в агрессивной среде (например, морской воде).

Теплостойкость - это способность конструкции работать в пределах заданных температур в течение назначенного срока службы.

При нагреве может снизиться прочность материалов; уменьшается вязкость смазок, и они снижают свое защитное действие на детали; уменьшаются зазоры в сопряженных деталях, что может привести к заклиниванию; понижается точность работы машины. Поэтому при возможности перегрева машины или механизма выполняют тепловые расчеты и при необходимости принимают соответствующие конструктивные меры (например, жидкостное охлаждение с радиаторами для двигателей внутреннего сгорания).

Виброустойчивость — это способность конструкции противостоять действию вибрации и колебаний. Вибрации снижают долговечность машин, качество их работы. Особенно опасно, когда конструкция входит в резонанс, т.е. когда рабочие частоты, воздействующие на детали, приближаются или совпадают с ее собственными частотами. Мероприятия по виброустойчивости тесно связаны с расчетом деталей (например, валов) на колебания. Подбор рациональных массовых и жесткостных параметров деталей, установка соответствующих демпферов — гасителей колебаний помогают повысить виброустойчивость машин.