§ 3. Основные критерии работоспособности и расчета деталей машин

Работоспособность — состояние детали, при котором она способна вы­полнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями нормативно-технической документации.

Основными критериями работоспособности деталей машин являются прочность, жесткость, износостойкость, теплостойкость, виброустойчи­вость. Кратко рассмотрим эти требования.

0.6. Прочность является главным критерием работоспособности дета­лей. Методы расчетов на прочность изучают в курсе «Сопротивление мате­риалов».

Прочность — свойство материалов детали в определенных условиях и пре­делах, не разрушаясь, воспринимать те или иные воздействия (нагрузки, не­равномерные температурные поля и др.).

В большинстве технических расчетов под нарушением прочности по­нимают не только разрушение, но и возникновение пластических дефор­маций.

Наиболее распространенным методом оценки прочности деталей ма­шин является сравнение расчетных (рабочих) напряжений, возникающих в деталях машин под действием нагрузок, с допускаемыми.

Условие прочности выражают неравенством

σ≤ [σ] или τ ≤ [τ], (0.1)

где σ, τ — расчетные нормальное и касательное напряжения в опасном се­чении детали; [σ], [τ] — допускаемые напряжения.

Кроме обычных видов разрушения деталей (поломок) наблюдаются также случаи, когда под действием нагрузок, прижимающих детали одну к другой, возникают местные напряжения и деформации. Наличие контакт­ных напряжений может привести к разрушению деталей. Поэтому для мно­гих деталей (а зависит это от конструкции, воспринимаемых нагрузок, ус­ловий работы и других факторов) проводится расчет по условию контакт­ной прочности:

Σ_H ≤ [σ]_H; (0.2)

(формула Герца), (0.3)

где — расчетное контактное напряжение; q — нагрузка на единицу длины контакта; E_пр — приведенный модуль упругости; — приведен­ный радиус кривизны; [σ]_н — допускаемое контактное напряжение.

Эта формула получена для двух круговых цилиндров бесконечно боль­шой длины, материалы которых имеют коэффициент Пуассона µ = 0,3.

Что понимается под прочностью детали?

0.7. Жесткостью называют способность деталей сопротивляться измене­нию их формы под действием приложенных нагрузок.

Наряду с прочностью это один из важнейших критериев работоспособ­ности машин. Иногда размеры деталей (таких, как длинные оси, валы и т. п.) окончательно определяются расчетом на жесткость.

Запишите условие, обеспечивающее жесткость работающей детали (вспомните из курса «Сопротивление материалов»).

0.8. Износостойкость — сопротивление деталей машин и других трущих­ся изделий изнашиванию.

Изнашивание — процесс разрушения поверхностных слоев при трении, приводящий к постепенному изменению размеров, формы, массы и со­стояния поверхности деталей (износу).

Износ — результат процесса изнашивания.

При расчетах деталей на износ либо определяют условия, обеспечиваю­щие для них трение со смазочным материалом, либо назначают для тру­щихся поверхностей соответствующие допускаемые давления.

Изнашивание деталей можно уменьшить следующими конструктивны­ми, технологическими и эксплуатационными мерами:

• создать при проектировании деталей условия, гарантирующие трение со смазочным материалом;

• выбрать соответствующие материалы для сопряженной пары;

• соблюдать технологические требования при изготовлении деталей;

• наносить на детали покрытия;

• соблюдать режимы смазывания и защиты трущихся поверхностей от абразивных частиц.

Что такое износ? Укажите пути уменьшения изнашивания трущихся де­талей.

0.9. Под теплостойкостью понимают способность деталей сохранять нормальную работоспособность в допустимых (заданных) пределах темпера­турного режима, вызываемого рабочим процессом машин и трением в их меха­низмах.

Тепловыделение, связанное с рабочим процессом, имеет место в тепло­вых двигателях, электрических машинах, литейных машинах и в машинах для горячей обработки материалов.

Нагрев деталей машин может вызвать следующие вредные последствия:

• понижение прочности материала и появление остаточных деформа­ций, так называемое явление ползучести (наблюдается в машинах с очень напряженным тепловым режимом, например, в лопатках газо­вых турбин);

• понижение защищающей способности масляных пленок, а следова­тельно, увеличение износа трущихся деталей;

• изменение зазоров в сопряженных деталях;

• в некоторых случаях понижение точности работы машины;

• для деталей, работающих в условиях многократного циклического изменения температуры, могут возникнуть и развиться микротрещи­ны, приводящие в отдельных случаях к разрушению деталей.

Для обеспечения нормального теплового режима работы деталей и уз­лов машин в ряде случаев выполняют специальные расчеты, например, те­пловой расчет червячных редукторов.

Что произойдет с деталью, если в процессе работы температура будет выше предельно допустимой?

0.10. Под виброустойчивостью понимают способность деталей и узлов работать в нужном режиме без недопустимых колебаний (вибраций).

Вибрации вызывают дополнительные переменные напряжения и могут привести к усталостному разрушению деталей. Особенно опасными явля­ются резонансные колебания. В связи с повышением скоростей движения машин опасность вибрации возрастает, поэтому расчеты параметров выну­жденных колебаний приобретают все большее значение.

Приведите пример ухудшения работы машин при вибрации.