Волновые зубчатые передачи Редукторы Основные понятия о ременных передачах Передачи плоским ремнем Валы и оси Подшипники скольжения Муфты

Надежность машин Соединения деталей машин Соединения с натягом Расчет шпоночных соединений Механические передач Вариаторы Конструкции колес зубчатых передач Расчет на контактную прочность Цилиндрические косозубые передачи

Основы расчета и проектирования деталей и узлов машин

Надежность машин

Надежность — свойство изделия сохранять во времени способность к выполнению требуемых функций в заданных режимах применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Надежность характеризуется работоспособностью и отказом.

Работоспособность — состояние изделия, при котором оно способно нормально выполнять заданные функции.

Отказ — событие, заключающееся в полной или частичной утрате работоспособности.

Показателями качества изделия по надежности являются безотказность, долговечность и ремонтопригодность.

Безотказность — свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного времени.

Долговечность — свойство изделия длительно сохранять работоспособность при соблюдении норм эксплуатации до наступления предельного состояния. Под предельным понимают такое состояние изделия, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна.

Курсовой расчет по сопромату Расчет на жесткость

Ремонтопригодность — свойство изделия, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособности путем технического обслуживания и ремонта.

Ресурс — суммарная наработка изделия от начала эксплуатации до перехода в предельное состояние. Ресурс выражают в единицах времени работы (в часах) или длины пути (в километрах).

Срок службы — календарная продолжительность эксплуатации изделия от начала до перехода в предельное состояние. Выражается обычно в годах. Срок службы включает наработку изделия и время простоев.

Основными показателями надежности являются:

по безотказности — вероятность безотказной работы и интенсивность отказов;

по долговечности — средний и гамма-процентный ресурс;

по ремонтопригодности — вероятность восстановления.

Под вероятностью безотказной работы P(t) понимают вероятность того, что в заданном интервале времени или в пределах заданной наработки не возникает отказ изделия.

Если за время t наработки из числа N одинаковых изделий были изъяты из-за отказов п изделий, то вероятность безотказной работы изделия

P(t) = (N- n)/N= 1 - n/N.

Пример 1.1. Если по результатам испытания в одинаковых условиях партии изделий, состоящих из N= 1000 шт., после наработки 5000 ч вышли из строя w=100 изделий, то вероятность безотказной работы этих изделий

P(5000) = 1 - n/N= 1 - 100/1000 = 0,9.

Вероятность безотказной работы сложного изделия равна произведению вероятностей безотказной работы отдельных его элементов:

p(t) = p](t)P2(t) ... Pn(t)

Если Pl(t) = P2(t) = ... = Pn(t), то P(t) = Pn(t). Отсюда следует, что чем больше элементов имеет изделие, тем ниже его надежность.

Интенсивность отказов λ (t). В разные периоды эксплуатации или испытаний изделий число отказов в единицу времени различно. Интенсивность отказов — отношение числа п отказавших в единицу времени t изделий к числу изделий (N-n), исправно работающих в данный отрезок времени при условии, что отказавшие изделия не восстанавливают и не заменяют новыми:

λ(t)=n/[(N-n)t].

Средние значения интенсивностей отказов составляют: для подшипников качения — X(t) = 1,5 • 10-6 1/ч; для ременных передач —

X(t) = 15 • 10-6 1/ч.

Вероятность безотказной работы можно оценить по интенсивности отказов

p(f)~l-λ(t)-t.

Для деталей машин в качестве показателя долговечности используют или средний ресурс (математическое ожидание ресурса, выраженное в часах работы, километрах пробега, миллионах оборотов), или гамма-процентный ресурс (суммарная наработка, в течение которой изделие не достигает предельного состояния с вероятностью у, выраженной в процентах). Для изделий серийного и массового производства наиболее часто используют гамма-процентный ресурс: для подшипников качения, например, 90%-ный ресурс.

Под вероятностью восстановления понимают вероятность того, что время восстановления работоспособного состояния изделия не превысит заданное значение.

Основы надежности закладывает конструктор при проектировании изделия (в частности, точностью составления расчетной схемы). Определение показателей надежности выполняют методами теории вероятностей, их используют при выборе оптимальных вариантов конструкции. Надежность зависит также от качества изготовления (неточности влияют на распределение нагрузок в зоне силового взаимодействия) и от соблюдения норм эксплуатации.

В технике имеются высоконадежные устройства, например, в железнодорожном транспорте, авиации, космонавтике и др.

Критерии работоспособности и расчета деталей машин

Работоспособность деталей оценивают по одному или нескольким критериям, выбор которых обусловлен условиями работы и характером возможного разрушения. Такими критериями являются прочность, жесткость, износостойкость, теплостойкость, виброустойчивость.

Прочность. Важнейшим критерием работоспособности всех деталей является прочность, т. е. способность детали сопротивляться разрушению или возникновению недопустимых пластических деформаций под действием приложенных к ней нагрузок. Методы расчетов на прочность изучают в курсе сопротивления материалов. В расчетах на прочность большое значение имеет правильное определение расчетных нагрузок и допускаемых напряжений.

Повысить прочность можно путем выбора рациональной формы поперечного сечения детали, устранением концентраторов напряжений, введением поверхностного упрочнения, обеспечением нагружения детали только напряжениями сжатия или растяжения (устранением напряжений изгиба).

Жесткость. Жесткостью называют способность детали сопротивляться изменению формы и размеров под нагрузкой. Для некоторых деталей жесткость является основным критерием при определении их размеров. Например, жесткость валов определяет удовлетворительную работу подшипников, зубчатых, червячных передач. Нормы жесткости устанавливают на основе обобщения опыта эксплуатации машин. Рациональное расположение опор, применение рационального профиля (например, двутавр вместо сплошного круглого) повышают жесткость конструкции.

В уточненных расчетах прочности и жесткости деталей используют различные методы решения задач теории упругости.

Износостойкость. Износостойкостью называют свойство материала сопротивляться изнашиванию. Под изнашиванием понимают процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров или формы.

Износостойкость зависит от физико-механических свойств материала, термообработки и шероховатости поверхностей, от величины давлений или контактных напряжений, скорости скольжения, смазки, режима работы и т. д. Износ (результат изнашивания) снижает прочность деталей, изменяет характер сопряжения, увеличивает зазоры п подвижных соединениях, вызывает шум. При современном уровне техники 85...90% машин выходят из строя в результате изнашивания.

Расчеты деталей на износостойкость ведут по допускаемым давлениям, установленным практикой (расчеты подшипников скольжения и др.). Применение в конструкциях уплотняющих устройств, защищающих детали от попадания абразивных частиц, повышение твердости и равномерное распределение давлений по поверхности контакта, разделение трущихся поверхностей смазочным материалом увеличивают их износостойкость.

Исследованиями контактного взаимодействия твердых тел при их относительном смещении занимается новая наука триботехника (см. ниже).

Теплостойкость. Теплостойкостью называют способность конструкции работать в пределах заданных температур в течение заданного срока службы. Перегрев деталей во время работы — явление вредное и опасное, так как при этом снижается их прочность, ухудшаются свойства смазочного материала, а уменьшение зазоров в подвижных соединениях приводит к заклиниванию и поломке. Для обеспечения нормального теплового режима работы выполняют тепловые расчеты (расчеты червячных и волновых передач, подшипников скольжения) и, если необходимо, вносят конструктивные изменения (например, искусственное охлаждение, Виброустойчивость. Виброустойчивостью называют способность конструкции работать в диапазоне режимов, достаточно далеких от области резонансов. Вибрации снижают качество работы машин, увеличивают шум, вызывают дополнительные напряжения в деталях. Особенно опасны резонансные колебания. Расчеты на виброустойчивость выполняют для машины в целом. Они подробно рассматриваются в курсе «Теория колебаний».

 

Проектировочный и проверочный расчеты

Проектировочным расчетом называют определение основных размеров детали при выбранном материале по формулам, соответствующим главным критериям работоспособности (прочности, жесткости, износостойкости и др.). Этот расчет выполняют в тех случаях, когда размеры конструкции заранее неизвестны. Реальную конструкцию заменяют расчетной схемой; по существу неоднородный и несплошной материал детали рассматривают как однородный и сплошной; идеализируют нагрузку, форму детали, опоры. Неточности расчета компенсируют коэффициентами запаса, которые каждая отрасль машиностроения рекомендует для конкретных деталей.

Проектировочный расчет является предварительным и упрощенным. Он необходим для определения размеров, без которых невозможна первая чертежная проработка конструкции.

Проверочным расчетом называют определение фактических характеристик главного критерия работоспособности детали или определение наибольшей допустимой нагрузки на деталь по допускаемым значениям главного критерия работоспособности. При проверочном расчете определяют фактические (расчетные) напряжения и коэффициенты запаса прочности, действительные прогибы и углы поворота сечений, температуру, ресурс при заданной нагрузке или допустимую нагрузку при заданных размерах и т. д.

Проверочный расчет является уточненным; его проводят, когда форма и размеры детали определены из проектировочного расчета или приняты конструктивно, разработана технология изготовления (способ получения заготовки, вид термообработки, качество поверхности и др.).

Расчеты и конструирование органически связаны. Конструированием называют творческий процесс создания чертежей механизма или машины на основе проектировочных и проверочных расчетов. При разработке конструкции машины рассматривают различные варианты с целью получения оптимальной конструкции при наименьшей стоимости ее изготовления и эксплуатации. Задачи оптимизации выполняют с применением ЭВМ (см. [4]).

Конструирование требует всестороннего анализа статистического материала, отражающего опыт проектирования, изготовления и эксплуатации машин данного типа, а также требований современного машиностроения.

Сопряженными или контактирующими называют соприкасающиеся непосредственно или через слой смазочного материала поверхности взаимодействующих деталей.

Изучением процессов взаимодействия контактирующих поверхностей при их относительном перемещении занимается наука, получившая название триботехника (от греч. tribos — тереть). Основная цель этого изучения — нахождение путей снижения трения и изнашивания.

Одним из основных понятий триботехники является внешнее трение — явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей и сопровождаемое рассеиванием энергии.

Взаимодействие контактирующих тел характеризуется механическими, теплофизическими, физико-химическими и электромеханическими процессами, сопровождающимися изнашиванием деталей.

По наличию относительного движения различают:

трение покоя — трение двух тел при микросмещениях (например, за счет их деформаций) до перехода к относительному движению;

трение движения — трение тел, находящихся в относительном движении.

Трению покоя присущи фреттинг-коррозия и окислительное изнашивание, которые характерны для деталей соединений машин (соединения с натягом, резьбовые, шлицевые, шпоночные).

При фреттинг-коррозии (от англ. to fret — разъедать) на небольших площадках постоянно контактирующих поверхностей образуются мелкие углубления и продукты коррозии в виде пятен и порошка от светло- до темно-коричневого цвета. Продукты износа остаются в зоне контакта и превращаются в абразивные частицы.

При окислительном изнашивании контактирующие детали вступают в химическое взаимодействие с окружающей средой (например, воздухом), что приводит к развитию коррозии и механическому изнашиванию.

По характеру относительного движения различают трение скольжения и трение качения. Трение движения, при котором скорости тел в точке касания различны по величине или направлению, называют трением скольжения. При равенстве скоростей в точках касания по величине и направлению трение движения называют трением качения.

Такие детали, как диски фрикционных муфт (см. рис. 30.17, а), резьбовая пара скольжения винт —гайка, тормозные колодки и др., которые работают в условиях трения скольжения, подвержены контактному схватыванию, водородному и абразивному изнашиванию.

Водородное изнашивание связано с выделением водорода при трении контактирующих тел и разложении воды, нефтепродуктов или деструкции пластмасс. Присутствие водорода приводит к хрупкости поверхностей контакта материалов, появлению мелких трещин и образованию мелкодисперсного порошка материала.

Внешнее трение характеризуется силой трения — силой сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы. Сила трения направлена по касательной к общей границе между телами.

Параметром погруженности сопряженных поверхностей является давление q, приходящееся на единицу площади, а при отсутствии взаимных перемещений — напряжение смятия σсм.

Основным кинематическим параметром является скорость скольжения v, т. е. скорость движения точки одной из сопряженных поверхностей относительно совпадающей с ней точки другой поверхности.

Для количественной оценки изнашивания и его результата — износа используют такие показатели, как интенсивность изнашивания и предельный износ.

Интенсивностью изнашивания J называют отношение толщины слоя И, снятого в результате изнашивания, к пути трения S (перемещения точки, в которой определяется износ, относительно сопряженной поверхности):

J=h/S.

Под предельным износом детали или узла понимают такой износ, по достижении которого дальнейшая эксплуатация неэкономична или недопустима.

Практически безызносные трущиеся пары с малым коэффициентом трения можно получить, реализуя в узле жидкостную смазку или используя явление избирательного переноса.

При жидкостной смазке (см. § 28.7) поверхности деталей полностью разделены жидким смазочным материалом (слоем масла). Детали непосредственно не соприкасаются и не изнашиваются. Коэффициент трения при этом определяется вязким трением жидкости и мал по величине (f= 0,005). Режим жидкостной смазки реализуют в подшипниках скольжения.

Избирательный перенос — физико-химический процесс образования и автоматического поддержания на поверхности трения защитной металлической пленки, значительно снижающей коэффициент трения и износ. Пленкообразующим материалом является, например, медь и ее сплавы (бронза, латунь). Из этих материалов может быть изготовлена одна из деталей пары трения или пленкообразующая присадка смазочного материала, например медный порошок.

После первоначального образования на поверхностях деталей защитной пленки устанавливается режим избирательного переноса, т. е. в случае изнашивания или нарушения сплошности пленки происходит автоматическое ее восстановление.

Явление избирательного переноса успешно используют в узлах трения, работающих в экстремальных условиях: в вакууме, в агрессивных средах химической промышленности.

В настоящее время триботехнике уделяется большое внимание, так как для многих машин затраты на ремонт в связи с изнашиванием деталей за период их работы в несколько раз превышают стоимость новой машины.

Контрольные вопросы

Каково различие между механизмом и машиной?

Что следует понимать под деталью машины? Какие детали называют деталями общего назначения?

Какие основные требования предъявляют к машинам и их деталям?

Что следует понимать под надежностью машин и их деталей? Какими свойствами характеризуется надежность? Каково различие между ресурсом и сроком службы? По каким показателям оценивают надежность?

Каковы основные критерии работоспособности и расчета деталей машин?

Каково различие между проектировочным и проверочным расчетами?

Дайте определение таким понятиям триботехники, как внешнее трение, трение покоя и трение движения. Какие виды изнашивания характерны для них?

Курс «Детали машин» рассматривает основы расчета и конструирования деталей и узлов общего назначения, встречающихся в различных механизмах и машинах.

Прочность при переменных напряжениях Циклы напряжений в деталях машин Многие детали машин или их элементы, такие, как валы, зубья зубчатых колес и др., работают в условиях, когда возникающие в них напряжения периодически изменяют свое значение или значение и знак.

Коэффициенты запаса прочности При статических напряжениях. Статические, или строго постоянные, нагрузки встречаются редко. К постоянным относят нагрузки с отклонением до 20% от номинальных нагрузок (действие сил тяжести, предварительной затяжки, давление газа или жидкости)