5.2. Критерии работоспособности и влияющие на них

факторы.

В процессе работы механизмы преодолевают разнообразное сопротивление, обусловленное не только собственными особенностями, но главным образом внешними воздействиями. Здесь, например, может измениться не только скорость движения входного звена, вала двигателя, но и сила сопротивления. Без учета влияния таких воздействий трудно обосновано судить о работоспособности того или иного устройства.

Введены в рассмотрение следующие критерии работоспособности: прочность; износостойкость; коррозионная стойкость; жесткость; теплостойкость; виброустойчивость и т.д.

Значимость того или иного критерия зависит от функционального назначения детали и условий ее работы.

Прочность- главный критерий большинства деталей. (О прочности см. раздел 2....). Непрочные детали не могут работать.

Различают статическую прочность и динамическую прочность. В первом случае напряжения в деталях мало меняются и не превышают допустимых статических значений. Во- втором при наличии переменных нагрузок по ранее проведенным исследованиям определяют критерии выбора допустимых режимов работы.

На прочность влияют: действующие напряжения; допускаемые напряжения, зависящие от режимов работы и применяемых материалов; концентраторы напряжений; коррозионное воздействие и т.д.

Износостойкость проявляется при взаимодействии деталей друг с другом. При этом из-за трения (см. 2.18) изменяются размеры деталей, появляются или увеличиваются зазоры, образуются трещины, повышается коэффициент трения или увеличиваются утечки, уменьшается к.п.д.

Для трения характерно такое явление, как избирательный перенос (см. раздел 2.18), при правильном подборе материалов и смазки защитная пленка непрерывно восстанавливается.

Коррозионная стойкость- это сопротивление детали химической и электрохимической коррозии. При коррозии обычно проиcходит окисление металла. Из-за этого металлические изделия преждевременно разрушаются, а затем со временем могут вообще исчезнуть. (Имелись случаи, когда под действием электрохимической коррозии за полгода разрушались трубы теплообменных аппаратов). Коррозионная стойкость деталей обеспечивается правильным подбором материалов, покрытий, смазки, конструкции механизмов.

Тепловая стойкость- это способность деталей стабильно работать при высоких температурах.

При конструировании машины (прибора), аппарата необходимо учитывать не только их функциональные движения, но и возможные возмущающие воздействия, знание которых можно получить при анализе условий работы. Условия же работы устройств весьма разнообразны. Поэтому описать все возможные варианты трудно. Ниже рассмотрены некоторые из них, связанные с изготовлением деталей теплообменных аппаратов.

5.3. Условия работы устройств при изготовлении теплообменных аппаратов.

5.3.1. Взаимодействие режущего инструмента с заготовкой.

Резание является одним из способов механической обработки металлов. Эта операция проводится на металлорежущих станках и осуществляется металлорежущим инструментом. Заключается она в срезании с обрабатываемой детали части металла, который превращается в стружку (рис.5.2). И деталь и стружка в процессе резания подвергаются пластическому деформированию.

Рис. 5.2

Взаимодействие режущей части

с обрабатываемой деталью:

1- режущая часть; 2- деталь;

3- образующаяся стружка;

_ск- угол скалывания; - угол

резания; - задний угол;

- передний угол.

Экспериментально определенный характер изменения усилий резания при обработке стружки скалывания показан на рис. 5.3. Здесь видно, что примерно через каждый 1 мм пройденного пути резания происходят периодические нарастания и падения силы резания. Силы, действующие на режущую часть инструмента, приводят к звуковой эмиссии частотой до нескольких кГц и оказывают большое влияние, как на процесс резания, так и на работу инструмента и деталей обрабатывающего станка. Существует несколько подходов к их теоретическому определению. По формуле, выведенной в 1896 г. А. Бриксом, сила резания, направленная параллельно движению режущей части, равна

Рис. 5.3

Изменение силы резания при образовании стружки скалывания.

Рис. 5. 4

Изменение силы резания при обработке меди

Рис.5.5

Зависимость силы резания при

обработке стали 35.

R= _сдв absin(+_m)/[sin(+_m+ _ск)sin_ск, (5-1)

где _сдв - касательные напряжения сдвига; a, b - ширина и толщина срезаемого слоя; _m - угол трения между стружкой и передней поверхностью.

Следует отметить, что на практике подобными формулами пользутся редко, т.к. многие коээфициенты в формуле взаимозависимы.

На рис.5.4, 5.5 приведены еще два, весьма характерных, экспериментальных графика, иллюстрирующих изменение силы резания при обработке меди и стали. Из них следует, что сила резания с увеличением скорости резания при некоторых режимах может падать. Исследования динамики показали, что такая зависимость способствует появлению автоколебаний в приводе.

Вообще резание весьма сложный и еще недостаточно изученный процесс. Поэтому здесь мы более подробно остановимся лишь на явлениях, вызывающих колебания сил сопротивления.

Разнообразные эксперименты в теории резания показали, что допускаемые скорости резания и толщина срезаемого слоя зависят от многих факторов. Практически любое изменение металла детали или режущей части инструмента ее формы, состава СОЖ влекут за собой при поиске оптимальных режимов изменение скорости резания, подачи (глубины срезаемого слоя) и т.п..

Ниже приведены формулы иллюстрирующие влияние различных факторов на:

касательные напряжения по плоскости сдвига

_сдв= _сдво + (_p)_сдв / _p + (a)_сдв / a+ (T)_сдв / T+ ()_сдв/,

которая для стали 35 принимает форму

_сдв=_о+ _p ^-0,95_p - 33,3a- 0,5- 2x0,00122TT. (5-2)

Здесь _p, a, , T - соответственно приращения скорости резания, толщины срезаемого слоя, переднего угла, температуры в зоне резания. Очевидно, что в ряде случаев a= 0; = 0.

Коэффициент трения при резании (для стали 45)

= ₅  = [_5o + ( /  T)T + ( /_N)_N+ ( /)+

+ ( /a)a]  , (5-3)

где ₅ - коэффициент трения при отсутствии СОЖ;  / Т= А_exp(B_T+ +C_ T²)(B_+2C_T); A_=0, 5- 0,6; B_= 0,069; C_= -1,16х 10^-5 ;

/_N=4(_N-5)^-3/2(-0,5)=-2(_N-5)^-3/2 ; _N - нормальное удельное давление на передней поверхности инструмента; ₃/ v= - B_v [мин/м]; ₄/ а= -В_а; В_а= 0,175 [мм]^-1;

0,0075² - 0,067 + 0,73; 15м/мин>  > 0;

 =  / _в =

1;  > 15 м/мин.

При этом угол трения _tr =аrctg.;  - скорость резания;  - отношение коэффициентов трения при наличии СОЖ и при использовании для охлаждения воды.

Если посредством стебля (вала) приводится во вращение фреза, то к отмеченному следует добавить неравномерность резания, определяемую геометрией инструмента, когда каждый зубец поочередно совершает работу резания на некотором угле поворота и затем выходит из взаимодействия с металлом заготовки. Частота подобных импульсов равна  =z n / 60 [Гц], где z- число резцов фрезы; n - частота вращения (об/мин).

На рис.5.6 изображена схема фрезерования. Здесь к фрезе 3 мощность подводится от вращающегося шпинделя 1 по валу 2.

Рис. 5.6

Схема фрезерования цилинд-рической фрезой:

1- шпиндель; 2- приводной вал;

3- фреза.

Рис.5.7

Взаимодействие фрезы с

обрабатываемой заготовкой

На рис. 5.7 изображено взаимодействие зубьев режущего инструмента с обрабатываемой заготовкой.

В зависимости от формы зубьев и геометрических особенностей фрезы сила резания оказывается переменной величиной

P_н= 2K_p_вS_ztk/(zsin), (5-4)

где l₁= D/z- расстояние вдоль оси фрезы; l₂= B/k- осевой шаг, k- коэффициент кратности; tg= l₁/l₂- наклон винтовой линии. K_p = 2,3- 2,8- коэффициент резания; _в - предел прочности; S_z - подача на зуб; t - глубина срезаемого слоя; z - число зубьев.

Кроме того, из-за несплошностей в металле возможны другие изменения сил сопротивления. Еще одним источником колебаний при сверлении, развертывании, фрезеровании является эксцентричное относительно оси вращения расположение инструмента.

Таким образом, процесс резания сопровождается весьма заметными динамическими явлениями, которые могут проявляться и в виде звуковой эмиссии и в форме колебаний инструмента или деталей, приводя к отклонениям их формы. Правильно выбранные параметры системы позволят обеспечить стабильный режим работы металлорежущего станка.