Детали машин должны сохранять эксплуатационные показатели и выполнять свои функции в течение заданного срока службы, а также должны иметь минимальную стоимость изготовления и эксплуатации.
Работоспособность изделий характеризуется определенными критериями. Важнейшими из них являются прочность, точность, жесткость, виброустойчивость, стойкость к тепловым воздействиям, износостойкость, надежность. По одному или по нескольким из них ведут расчет с целью определения размеров деталей машин и выбора материалов.
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 по пределу текучести (для пластических материалов)
|
|
(1)
где n т = 1,1... 1,4 - коэффициент запаса, и по пределу прочности (для хрупких материалов)
(2)
где пв = 3... 4 – коэффициент запаса.
Прочность деталей, подвергающихся переменной нагрузке, рассчитывают с учетом факторов, влияющих на усталостную прочность, - концентрации напряжений, размеров деталей, состояния поверхностного слоя. В этом случае допускаемое напряжение определяется в зависимости от предела выносливости σr:
(3)
где п - коэффициент запаса;
εσ - коэффициент, учитывающий масштабный фактор
(влияние размеров детали);
β - коэффициент, учитывающий состояние поверхностных слоев;
kσ - коэффициент концентрации напряжений.
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 включает точность формы и размеров отдельных участков детали, а также точность взаимного положения этих участков.
Точность обработки характеризуется значениями допущенных при обработке 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.
|
|
Рассмотрим металлорежущий станок. В координатно-расточном станке под влиянием усилий, возникающих при резании, узлы деформируются и изменяют свое относительное положение. В результате отжатий узлов станка под нагрузкой происходит искажение траекторий движения инструмента относительно заготовки. Точность обработки изделия при этом будет снижаться. Следовательно, на точность координатно-расточного станка (т.е. машины) оказывает влияние жесткость узлов. Кроме того, точность измерительных и отсчетных устройств этого станка, предназначенных для перемещения стола с изделием относительно инструмента, будет оказывать большое влияние на точность обработки. Следовательно, и этот фактор будет влиять на точность станка.
Неточность обработки на станке может возникнуть в результате температурных деформаций узлов и деталей станка, а также вследствие снижения качества зубчатых колес и ходового винта, которое влияет на точность кинематической цепи станка. Особенно это актуально для зуборезных станков, винторезных, зубо- и резьбошлифовальных. Кинематическая точность в зуборезных станках существенно зависит от точности изготовления и монтажа червяка и червячного колеса в делительной цепи.
При конструировании других машин (автомобилей, самолетов, подъемных кранов) должны быть учтены конкретные факторы, которые могут снижать точность проектируемой машины.
Жесткость. Критерий жесткости в машинах является одним из важнейших. Особенно большое значение он имеет в станкостроении. Например, прецизионные станки приходится проектировать значительно 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(H), приложенной к узлу в заданном направлении, к упругому отжатию этого узла δ (мм):
(4)
Износостойкость. В результате постепенного изменения поверхностей трения при взаимодействии двух сопряженных деталей происходит износ. Изнашивание представляет собой про цесс постепенного уменьшения размеров и формы деталей. По статистике большинство деталей машин выходит из строя из-за износа. При износе в миниатюре происходят те же разрушения: 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; за счет резания или царапания с отделением микростружки они разрушают 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. 4):
I - период приработки; II - установившийся (или нормальный) износ;
III- катастрофический износ.
Рис.4
Период нормальной эксплуатации машин (II стадия износа) характеризуется линейной зависимостью между временем изнашивания t и величиной износа - U (мкм). Скорость изнашивания - γ в этой стадии остается постоянной: γ = U/t. Для абразивного и усталостного износа величину износа можно определить по следующей зависимости:
|
|
(5)
Где k - коэффициент, зависящий от материала пар трения, смазки,
микронеровностей и других факторов;
p - удельное давление;
vотн - скорость относительного скольжения.
Исключив время t, получим
(6)
Для конкретных пар можно экспериментально определить коэффициент А: 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. Это, в свою очередь, 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 (например, обтачивание наружной поверхности на токарном станке производят при включенном ходовом вале, а ходовой винт отключают); введение разгрузки изнашиваемых поверхностей 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, а именно:
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.
При эксплуатации металлорежущих станков, контрольно-измерительных машин и другого прецизионного оборудования применяют следующие методы борьбы с температурными деформациями:
вынос механизмов с тепловыделением за пределы технологического оборудования (например, гидростанций и гидросистем);
использование смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зоне резания металлорежущих станков;
принудительное охлаждение узлов;
создание термоконстантных цехов, в которых поддерживается постоянная температура;
выравнивание температурного поля путем искусственного подогрева или охлаждения отдельных узлов;
автоматическая компенсация температурных деформаций - применение коррекционных линеек, использование предыскажения программы в станках с ЧПУ.
Виброустойчивость. Под виброустойчивостью понимают способность конструкций работать в заданном диапазоне 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. В металлорежущем станке, например, вибрации ухудшают обрабатываемую поверхность, уменьшают долговечность станка, ограничивают его технологические возможности. Основное распространение в машинах имеют вынужденные, параметрические колебания и автоколебания.
Вынужденные колебания возникают под действием внешней периодически изменяющейся силы по следующим причинам:
дисбаланс вращающихся деталей (ротора электродвигателя, шпинделя с расточным резцом);
ошибка в зубчатых передачах (вход в зацепление будет сопровождаться ударом);
наличие прерывистой силы резания при фрезеровании, долблении, затыловании, протягивании;
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 - окружность, у которой моменты инерции относительно всех осей одинаковые, то никаких колебаний не возникает. Если же поперечное сечение - прямоугольник, то вал под действием постоянной силы будет прогибаться по-разному, так как моменты инерции у прямоугольника относительно взаимно перпендикулярных осей различны.
Автоколебания, или незатухающие самоподдерживающие колебания, характеризуются тем, что возмущающие силы возникают в самом процессе колебания. При автоколебательном процессе в случае прекращения колебаний системы перестают существовать и переменные силы, поддерживающие эти колебания. Примером могут служить автоколебания при трении (фрикционные колебания при медленном перемещении столов, суппортов станка по направляющим скольжения). Причиной этих колебаний является переменность силы трения в зависимости от изменения скоростей. Другим примером автоколебаний являются самовозбуждающиеся колебания в металлорежущих станках при резании.
Повышение жесткости узлов машины будет способствовать снижению автоколебаний. Наличие колебаний в машине чаще всего сопровождается шумом. Шум связан с соударением движущихся деталей машин. Например, погрешности шага и профиля зубьев зубчатых колес приводят к соударению при входе в зацепление. Повышенный уровень шума повышает утомляемость персонала и, следовательно, вреден для здоровья. Уровень шума измеряется в децибелах (дБ), его предельное значение ограничивается санитарными нормами.
Основные меры борьбы с шумом: повышение точности и чистоты обработки, уменьшение силы удара конструктивными методами, применение демпферов и материалов с повышенным внутренним трением.
Надежность. Проблема надежности является одной из основных проблем в машиностроении. Свойство изделия сохранять свою работоспособность в течение заданного промежутка времени, обусловленное безотказностью и долговечностью изделий, называется надежностью.
Известный авиаконструктор А.Н.Туполев говорил: «Чем дальше от доски конструктора обнаруживается ненадежность, тем она дороже обходится». Ненадежная машина не сможет эффективно функционировать, так как каждая ее остановка из-за повреждения отдельных элементов или снижения технических характеристик ниже допустимого уровня влечет за собой материальные убытки, а в отдельных случаях и катастрофические последствия.
Из-за недостаточной надежности промышленность несет огромные потери. Так, за весь период эксплуатации затраты на ремонт и техническое обслуживание машин в связи с их износом 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. Из-за коррозии ежегодно теряется до 10% выплавляемого металла.
Надежность закладывается при проектировании и расчете машины. При изготовлении машины обеспечивается надежность; она зависит от качества изготовленных деталей, качества сборки узлов машины, методов контроля и испытания готовой продукции и других показателей технологического процесса. При эксплуатации машины реализуется 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, подналадки.
Полная или частичная утрата работоспособности изделий называется отказом. По своей природе отказы могут быть связаны с разрушением поверхностей или самих деталей (выкрашивание, износ, коррозия, поломки) или не связаны с разрушением (ослабление предварительного натяга подшипников, засорение каналов). Отказы бывают полные или частичные, внезапные (поломки) или постепенные (изнашивание, коррозия), опасные для жизни человека или нет, устранимые и неустранимые.
Показатели безотказности и долговечности изделия определяются в соответствии с теорией вероятности. Вероятность безотказной работы P(t) в течение заданного времени t (или заданной наработки) и вероятность отказа F(t) - взаимно противоположные события. Их сумма всегда равна единице. Вероятность безотказной работы находится в пределах 0 < P(t) < 1. Например, за время t = 100 ч вероятность безотказной работы составляет P(t) = 0,99. Это следует понимать так: за указанное время работы изделия вероятность отказа составит 1 %, т. е. F(t) = 0,01.
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.
Контрольные вопросы
1. Что такое надежность машины?
2. Что такое виброустойчивость узлов машины и как с ней бороться?
3. За счет чего обеспечивается стойкость к тепловым воздействиям в узлах деталей машин?
4. Как износостойкость влияет на эксплуатационные характеристики машины?
5. Что такое точность деталей машин?
6. От чего зависит надежность машины?
7. Что называется деталями машин?