2021-09-04
743
Важной характеристикой любого устройства является его работоспособ-ность и надежность.
Под работоспособностью изделия понимают состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции.
Эксплуатационная надежность – способность изделия выполнять свои функции сохраняя в заданных пределах эксплуатационные показатели в тече-нии заданного времени или числа циклов работы. Надежность изделий обуслав-ливается их безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохра-няемостью.
Безотказность – свойство изделий сохранять работоспособность в течение заданной наработки без вынужденных перерывов. Это свойство особенно важ-но для изделий, отказы которых связаны с опасностью для жизни людей (нап-ример, для самолетов, судов, автомобилей, приборов, приборных комплексов и др.) или с дорогостоящими перерывами в работе сложных комплексов.
Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособность до пре-дельного состояния с необходимыми перерывами для ремонтов и технического обслуживания.
Ремонтопригодность – приспособленность изделия к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения тех-нического обслуживания и ремонтов.
Сохраняемость – свойство изделия сохранять требуемые эксплуатацион-ные показатели после установленного срока хранения и транспортировки.
Надежность деталей механических изделий в значительной степени зависит от учета условий их работы (нагрузки, температура, вибрации, агрессивные среды, факторы износа и др.), которые учитываются при их проектировании и эксплуатации, т.е. от запасов по основным критериям работоспособности.
Под критериями работоспособности изделия и его деталей понимают усло-
вия, в которых работает изделие или его отдельные детали, вызывающие изме-
нения каких – либо показателей работоспособности за допустимые пределы.
Основные критерии работоспособности деталей машин, приборов и приборных комплексов:
- прочность;
- износостойкость;
- жесткость;
- теплостойкость;
- виброустойчивость.
Под прочностью понимают способность детали или ее отдельных элемен-тов сопротивляться разрушению или недопустимой деформации под действием приложенной нагрузки. Расчеты деталей на прочность подразделяются на статическую, усталостную и контактную.
Статическая прочность – способность детали (или ее элементов) сопро-тивляться действию постоянных нагрузок при возникновении рабочих напря-жений, не превышающих предельно допустимых.
Усталостная прочность – способность детали (или ее элементов) сопро-тивляться воздействию длительных переменных нагрузок при возникновении напряжений, не превышающих допустимые напряжения усталостной выносливости.
Контактная прочность – способность поверхности детали сопротивляться выкрашиванию локальных участков при контактных напряжениях менее пре- дельно допустимых.
Износостойкость – способность поверхности детали сопротивляться изно-су (истиранию или удалению) от абразивного (соскабливания твердыми и ос-трыми частичками материала с трущейся поверхности детали), адгезионного (микроприваривания поверхностей и отрыв отдельных частиц), химического (за счет химического или электрохимического взаимодействия сопрягаемых повер-
хностей), диффузионного (проникновения атомов или молекул поверхностей друг в друга и их отрыв) и окислительного воздействия сопрягаемых поверх-ностей деталей или среды.
Жесткость – способность детали сопротивляться изменению положению или формы под действием приложеной нагрузки.
Требования жесткости деталей диктуются:
- условиями прочности;
- условиями работоспособности сопрягаемых деталей;
- условиями отсутствия колебаний и вибраций;
- эксплуатационными требованиями (недопустимым прогибом сечения, углом закручивания и др.).
Жесткость деталей характеризуется:
- деформационной жесткостью (предельным изгибом, скручиванием, сжа-тием или растяжением);
контактной жесткостью сопрягаемых поверхностей (т.е. деформацией контактных поверхностей);
- устойчивостью (сопротивлением осевой искривленностью стержневых
деталей).
Теплостойкость – способность изделия сохранять работоспособность при колебании температуры в допустимых пределах.
Под виброустойчивостью понимают способность конструкции сохранять работоспособность в необходимом диапазоне режимов без недопустимых коле-баний. Колебания конструкции могут быть: вынужденными, т.е. вызываемые внешними силами (неуравновешенностью вращающихся деталей, переменными технологическими силами и др.), и самовозбуждающимися (например, вызван-ные изменением сил трения при изменения скорости скольжения сопрягаемых деталей).
Разработчик того или иного изделия при анализе технического задания должен тщательно выяснить условия, в которых должно работать будущее из-
делие, и установить основные критерии работоспособности деталей изделия.
Вопросы для самоподготовки:
1.Чем характеризуются работоспособность и эксплуатационная надежность
изделия?
2.Долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость изделия?
3.Сделайте обзор условий эксплуатации деталей приборов и в целом
приборов и приборных комплексов.
4.Что понимают под термином «критерии работоспособности изделия»?
5.Понятие «прочность», критерии расчета на прочность?
6.Понятие «износостойкость»? Приведите примеры недостаточной
износостойкости каких – либо предметов или изделий.
7.Как Вы понимаете, что такое жесткость детали или предмета? Приведите
примеры высокой и низкой жесткости детали какого – либо изделия.
8.Что такое «виброустойчивость» работы изделия? Почему в эпоху высоких
скоростей расчеты на виброустойчивость является обязательными?
9.Приведите примеры значимости теплостойкости при эксплуатации
приборов летательных аппаратов
4. Общие вопросы взаимодействия тел
В связи с тем, что в курсе «Основы расчета элементов и механизмов информационных систем» рассматриваются задачи кинематики механизмов и процессы взаимодействия тел, приведем краткий анализ сил, действующих на детали соединений, узлов и механизмов машин.
Окружающий нас макромир представляет совокупность материальных тел (предметов, их систем и пр.) разных размеров, форм, свойств, находящихся в определенной взаимосвязи между собой. Взаимосвязь тел проявляется в форме взаимодействия этих тел или их элементов (поверхностей) в явном или в неявном виде, что вызывает относительное движение тел или изменение их энергетического состояния в зависимости от интенсивности взаимодействия.
Мерой взаимодействия тел или их элементов являются возникающие силы, характеризующиеся модулем (числовым значением), точкой приложения и направлением.
Силу, с которой связь действует на тело, называют реакцией связи.
Природа возникающих сил различна – наличие кинетической или потенциальной энергии тел, межатомного, межмолекулярного, механического, электромагнитного взаимодействия, неравномерного движения и др.
Разновидности сил, рассматриваемых в механике:
1.Технологические силы.
2. Гравитационные силы.
3.Силы инерции.
4.Силы трения (покоя, скольжения, качения).
5.Силы упругости деформируемого тела.
6.Силы температурной деформации.
7.Силы магнитного взаимодействия.
8.Силы, вызванные давлением жидкой или газообразной среды.
Сделаем краткий анализ сил и основных физико-механических свойств ма-
териалов, с которыми нам предстоит «встречаться» при изучении дисциплины.
Под технологическими силами понимают силы, для преодоления которых создается тот или иной механизм, машина или устройство. Например, силы сопротивления сдвигу материала при сверлении, токарной, фрезерной обработке, перемешиванию какого-либо раствора, наматыванию проволоки или ленты на барабан и др. Природа технологических сил может быть различна – гравитационные силы, силы упругой или пластической деформации и др.
Гравитационные силы – силы, с которыми все объекты в окружающем мире притягиваются друг к другу:
m1•m2
Fгр = γ , (4.1)
r2
где m1 и m2 – массы взаимодействующих тел, кƨ;
r – расстояние между телами, м;
γ – гравитационная постоянная (γ = 6,67•10-11 н•м2/ кƨ 2).
Для тел, находящихся на поверхности Земли, сила, действующая со стороны гравитационного поля Земли на любое другое тело массой m:
Fгр = G = m•g, (4.2)
где g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения на поверхности Земли.
Эту силу чаще всего называют силой тяжести. Вектор силы тяжести нап-равлен к центру Земли и приложен в центре масс тела. Чаще всего в механике фигурирует вес G (н = кƨ •м/с2 =..: 9,81 кГ) рассматриваемого тела – это сила, с которой тело действует на опору или подвес тела вследствие гравитационного притяжения к Земле.
Силы инерции – силы, действующие на тело при неравномерном пря-молинейном или круговом движении тела. При ускоренном или замедленном прямолинейном движении тела возникающая сила инерции Fи = – m•a, н (m – масса тела, кƨ; а – ускорение движения, м/c2; – направление силы противопо-ложно направлению вектора ускорения), при круговом движении – момент сил инерции Ми =–Js•ε, кƨ•м2/с2 (Js – момент инерции массы тела относитель-но оси, проходящей через его центр масс перпендикулярно плоскости враще-ния – момент инерции твердого тела относительно оси s равен сумме произведений массы каждой точки тела на квадрат расстояния от нее до оси s - Js тел приводится в справочной литературе, кƨ•м2; ε – угловое ускорение, 1/с2). При плоском прямолинейном движении тела вдоль направляющей (в относительном движении) и переносном круговом движении самой направляющей (в переносном движении) кориолисова сила инерции Fkи = – 2 m•ω• υот, н (m – масса тела, кƨ; ω – угловая переносная скорость, 1/с2; υп – относительная скорость тела вдоль прямолинейной направляющей, м/с; направление кориолисовой силы инерции противоположно направлению
переносной скорости). в
2 а б Ми = – Js •ε Fkи= – 2m·ω•υот
a Fи = – m• a υот
1 ε Js2 ак=2ω•υот
G =m•g ω ω m·g
Рис.4.1.Схемы действующих сил инерции на движущиеся тела при: а –прямо-
линейном ускоренном движении; б – вращательном ускоренном; в – перенос-
ном вращательном и прямолинейном относительном движении
4.Силы трения – силы, возникающие между соприкасающимися поверхностями тел и препятствующие их относительному движению. Такие силы трения часто называют внешними или просто силы трения. В некоторых случаях, например, при значительной деформации тела (при изменении поло-жении отдельных частей одного и того же тела) возникают силы внутреннего трения – в этом случае речь идет о внутреннем трении.
При отсутствии относительного движения соприкасающихся поверхностей
тел возникает трение покоя, а при их относительном скольжении (движении) –
трение скольжения. Трение скольжения может быть: а) сухим – при отсутствии в сопряжении поверхностей тел газообразной, жидкой или порошкообразной среды; б – полусухим – при частичном сопряжении поверхностей по микронеровностям и частичном по смазке; в – жидкостным – при наличии в сопряжении тонкого слоя смазочного материала и отсутствии контакта микронеровностей поверхностей; г – газообразным (чаще всего воздушным) – в качестве смазочного материала в зазор между трущимися поверхностями подается под давлением воздух.
Сила трения покоя – максимальная сила, препятствующая началу относительного сдвига соприкасающихся поверхностей тел.
Сила трения скольжения – сила, препятствующая относительному скольжению поверхностей тел. Чаще всего сила трения покоя на 10 – 20 % больше силы трения скольжения (при прочих равных условиях).
Силу трения скольжения в инженерных расчетах определяют по формуле:
Fтр = ƒ• N = ƒ• Pn, (4.3)
где ƒ – коэффициент трения скольжения, зависящий от материалов соп-
рягаемых пар, наличия и свойств смазки (жидкой, консистент-
ной, пластичной или газовой среды) и др.;
N – сила, действующая нормально на поверхность перемещающего-
ся тела со стороны опоры (реакция опоры);
Pn – сила нормального давления, действующая со стороны движу-
щегося тела на опору.
Сила трения качения (н), препятствующая перекатыванию одного, напри-мер, цилиндрического тела по другому плоскому телу:
Fтр.к = ƒк• Рn /r, (4.4)
где ƒк – коэффициент трения качения, зависящий от твердости и упругих
свойств пары трения (его значения приводятся в справочной ли-
тературе), мм;
Рn – сила нормального давления перекатываемого тела на поверхность
другого тела, н;
r – радиус перекатываемого тела качения, мм.
Силы упругости – силы, препятствующие возникновению остаточной деформации тела или его отдельных частей при воздействии на него другого
тела: F = E• S• Δι / ι, (4.5)
где E – модуль упругости второго рода материала тела (детали),
зависящий от материала тела;
S – площадь поперечного сечения детали нормально вектору
действующей силы;
Δι – величина деформации (удлинения) детали под действием
приложенной силы;
ι – первоначальная длина детали.
Силы температурной деформации – силы, деформирующие тело (деталь) при нагреве или охлаждении тела. Определение этих сил представляет определенные трудности и приводится в специальных дисциплинах. В инженерной практики чаще всего рассчитывается линейное удлинение тела (детали) при изменении его температуры:
Δι = 103 • Δt • α • ι, (4.6)
где Δt – разность температуры детали нагретой (или охлажденной) и в
нормальных условиях (20º С);
α – коэффициент линейного расширения материала детали;
ι – длина детали до нагрева (охлаждения).
Силы магнитного взаимодействия – силы притягивания (или отталкивания) к магниту другого тела, обладающего магнитными свойствами:
Fм = 4,06•В2•S, (4.7)
где В –магнтиная индукция (В = μ·Н, здесь μ – магнитная проницаемость
притягиваемого тела, на которое действует магнитное поле напря-
женностью Н);
S – поперечное сечение магнита.
Силы, вызванные давлением среды (жидких или газообразных сред):
Fср = р • S, (4.8)
где р – избыточное давление среды, воздействующей на поверхность
тела, МПа;
S – площадь воздействия среды наповерхность тела.
При проведении расчетов часто приходится использовать характеристику передаваемой нагрузки «момент силы», «крутящий момент».
Момент силы относительно какой - либо точки (его иногда называют алгебраичесим моментом силы относительно точки) – произведение модуля действующей силы на минимальное расстояние от вектора силы до рассматриваемой точки (иногда это расстояние называют «плечо» силы, перпендикулярное вектору силы или его продолжению), взятое с (+) или (-).
Часто если направление «вращения» тела относительно рассматриваемой точки совпадает с вращением часовой стрелки принимают с (+), если в обратную сторону, то принимают с (-), но можно и наоборот.
Например, момент силы F относитель- O2 а F
но точки О1 (рис.4.2, б) Мо1 = F • h1, а отно- 
h2 90˚ 90˚ б
си 
тельно точки О2 (рис.4.2, а) Мо2 = – F • h2. h1 О1
Силу можно переносить в пространстве па- 
90˚
раллельно себе, при этом необходимо добавить 
h3 в F
момент от переноса относительно точки, куда 
О3 Мо3
переносится сила (рис.4.2, в) Мо3 = F • h3. Рис.4.2. Схемы к определению
В этом случае тело или система тел останет- моментов сил относительно ка-
ся в равновесии. кой- либо точки тела и перено-
Момент силы относительно оси есть алгеб- са сил в любую точку тела
браический момент проекции этой силы на Z
плоскость, перпендикулярную оси, относи- F
тель 
но точки пересечения этой оси с плоско-
стью (с + или – - рис.4.3), т.е. М(F)=-Fn•h.
При этом, 
если вектор силы параллелен оси, O
например Z, или п ересекает ось, то момент 
силы относитольно этой оси, равен 0, т.е.
Мz = 0. Риc.4.3.Схема действия момента Крутящий момент характеризуется произ- та силы относительно оси
произведением окружной силы, приложен- F
ной в какой-либо точке вращающейcя дета-
ли, на радиус ее приложения (рис.4.4):
Mкр = F •D/2 = F • R (Н•м). Рис.4.4.Схема действия крутящего
Очень часто на тело действует пара сил- момента на шкив
– cистема двух равных по модулю параллельных не лежащих на одной прямой
сил, направленных в разные стороны – рис.4.5. Как правило, пара сил прила-
гается к вращяющемуся телу - диск, зубчатое колесо, F1
вал и др. Пару сил нельзя заменить одной силой. Пара 
сил, приложенная 
к твердому телу, характеризуется - F1
плоскостью действия. Рис.4.5.Схема приложе-
Алгебраическим моментом пары сил называют ния к телу пары сил
взятое с + или – произведение одной из сил пары на плечо сил, т.е. рас- стояние между силами или их линиями действия, т.е. М (FF) = F1•D.
Действующие нагрузки (силы или моменты сил) могут быть статическими, т.е. весьма мало изменяющиеся по величине, направлению и месту приложения в рассматриваемом интервале времени, и динамическими, т.е.
изменяющиеся по величине, направлению или месту приложения в рассматриваемом интервале времени.
При воздействии одних тел на другие тела на отдельных поверхностях в поверхностном слое или в сечениях тел возникают напряжения – силы внутреннего взаимодействия, приходящиеся на единицу площади выделенного сечения – напряжения смятия, изгиба, растяжения-сжатия, среза, кручения и др. Размерность напряжений – Па (паскаль) - Н/м2, мегапаскаль – МПа – 106 Н/м2 = Н/мм2. Напряжения – одни из важнейших параметров прочностных расчетов деталей различных устройств.
Напряжения смятия (σсм)– напряжения, возникающие в поверхностном слое сопрягающихся тел, при которых возникает определенное смещение (т.е. смятие) слоя или его элементов (наименее твердого тела).
Напряжения изгиба (σи) - напряжения, возникающие при действии изгибающих тело сил или моментов сил. Напряжения изгиба максимальны в точке, наиболее удаленной от нейтральной оси.
Напряжения растяжения–сжатия (σр) – напряжения, возникающие в нормальном сечении тела при действии на растягивающей (или сжимающей) силы. Для подавляющего большинства материалов напряжения при растяжении
и сжатии тел принимаются одинаковыми. Напряжения растяжения-сжатия оди-
наковы в любой точке поперечного сечения тела.
Напряжения среза (τср) – напряжения в сечении, по которому сдвигается одна часть тела относительно другой (сечение сдвига). В расчетах напряжения среза принимаются одинаковыми в любой точке сечения.
Напряжения кручения (τкр) – напряжения в поперечном сечении тела, возникающие при его кручении. Максимальные величины напряжений круче-ния возникают в точках, максимально удаленных от нейтральной оси (на нейтральной оси τкр равны 0).
Контактные напряжения (σк) – напряжения, возникающие при точечном или линейчатом контакте взаимодействующих тел (т.е. при весьма малой площадке сопряжения).
В расчетах чаще всего используют расчетную нагрузку на элементы механи-ческих устройств, т.е. номинальную умноженную на коэффициент (или коэф-фициенты) запаса прочности, долговечности, безопасности.
Вопросы для самоподготовки:
1.Что же мы понимаем под термином «сила», «момент силы» относительно
какой – либо точки пространства?
2.Перечислите силы, учитываемые в силовых расчетах различных
механизмов и соединений.
3.Силы трения, их природа? Полезны ли они или вредны? Можно каким –
либо способом уменьшать или увеличить силы трения?
4.Понятия силы трения скольжения, покоя, качения? Приведите примеры
действия этих сил. От чего они зависят?
