1.3.2 Вибір матеріалу деталі

Раціональний вибір матеріалів для проектованих деталей можна виконати за умови знання всіх фізико-механічних, хімічних і технологічних властивостей їх, що відповідали б ряду вимог, а саме:

 експериментальним (залежно від призначення і умов використання конструкції);

 технологічним (залежним від способу отримання і обробки матеріалу і таким, що визначають трудомісткість і вартість виготовлення деталі)

 економічним (з оцінкою собівартості виготовлення деталі).

По суті справи, при виборі матеріалу для деталі проектувальник в першу чергу повинен думати про відповідність матеріалу умовам роботи деталі в конструкції, а потім тільки про вартість матеріалу, вибраного за проектом.

В цілому в приладо- і машинобудуванні застосовують:

 до 400 марок сталей;

 стільки ж кольорових сплавів;

 близько 200 видів пластмас;

 більше 150 різновидів композиційних матеріалів;

 близько 40 марок гуми;

 близько 60 марок кераміки і так далі.

Причому, кожен вид матеріалу характеризується як мінімум 20-ма параметрами. Якщо врахувати можливі види термічної обробки, різний хімічний склад і інші чинники, то всій безлічі вживаних варіантів матеріалу відповідає масив даних об'ємом близько 500 тисяч значень. У зв'язку з цим питання оптимального вибору конструкційного матеріалу достатньо складне і вирішення його утруднене без використання електронної обчислювальної машини (ЕОМ).

Вибір матеріалу з використанням ЕОМ зводиться до розв’язання наступної задачі мінімізації. Ідеальний для заданих умов матеріал характеризується заданим набором параметрів Х₁, Х₂ . . . Х_n. Крім того повинні бути відомі критичні значення (найбільші X_jmax і найменші X_jmin) необхідних властивостей матеріалу.

Машинний пошук зводиться до відшукання такого матеріалу, значення параметрів якого Y₁, Y₂ . . . Y_n мінімізують функцію

(1.1)

при відповідних обмеженнях вигляду:

.

Вагові коефіцієнти враховують відносну важливість (ступінь впливу) кожного параметра.

1.3.3 Забезпечення надійності виробу

Проблема надійності виробу є однією з найважливіших в приладо- і машинобудуванні, оскільки постійне ускладнення механічних систем автоматики (наприклад, в ЕОМ, робототехнічних пристроях тощо) супроводжується одночасним підвищенням вимог до надійності виробів.

Складові надійності. Надійність, будучи складною властивістю виробу, обумовлюється і складається з простіших властивостей: безвідмовності, довговічності, ремонтопридатності і схоронності.

Довговічність  це властивість виробу зберігати працездат-ність до досягнення граничного стану (зносу) при встановленій системі технічного обслуговування. Довговічність характеризується технічним і призначеним ресурсами. Технічним ресурсом довговічності називають напрацювання виробом від початку експлуатації або її відновлення після середнього або капітального ремонтів до настання граничного стану. Призначеним (загальнотехнічним) ресурсом довговічності називають сумарне напрацювання виробом, досягши якої експлуатація повинна бути припинена незалежно від стану виробу. Припинення експлуатації в цьому випадку пов'язане з вимогами безпеки (можливості настання раптової катастрофічної відмови) або з економічною доцільністю. В межах призначеного ресурсу передбачають один або декілька ремонтів (а іноді їх повна відсутність).

Ремонтопридатність – це пристосованість виробу до попередження, виявлення і усунення відмов і несправностей, проведенням заходів технічного обслуговування і ремонту з відносно невеликими витратами (наприклад, шляхом заміни окремих деталей або навіть специфікованих виробів).

Схоронність – це властивість виробу зберігати необхідні показники протягом встановленого терміну зберігання і можливість транспортування після цього терміну.

Відмовою називають порушення працездатності виробу. Відмови слід відрізняти від несправних станів, при яких виріб не відповідає хоч би одній з вимог технічних умов, але в цілому зберігає свою працездатність.

Одним з основних показників надійності є вірогідність безвідмовної роботи в перебігу заданого часу t або заданого напрацювання (на відмову). Час появи відмови розглядають як випадкову величину. При цьому вірогідність безвідмовної роботи за час t характеризується залежністю:

, (1.2)

де Вір – означає вірогідність.

Загальні схеми оцінки надійності деталей машин

Працездатність і надійність деталей є одним з головних умов ефективності роботи машини. І хоча причини відмов деталей різні, все ж таки в більшості випадків вони виходять з ладу у зв'язку з руйнуваннями (відмова міцності) і втратою геометричної форми і розмірів (відмова зносу), тобто із-за причин міцностної і триботехнічної (фрикційної) властивостей.

Міцностна і триботехнічна надійність деталей і специ-фікованих виробів є основою роботоздатності споруди, машини, деталі тощо, тобто стану об’єкта, за якого він здатний нормально виконувати задані функції з параметрами, що встановлені нормативно-технічною документацією (стандартами, технічними умовами тощо). Основними критеріями роботоздатності машин є міцність, жорсткість, стійкість проти спрацювання, вібростійкість, теплостійкість тощо.

Основне завдання проектування з погляду забезпечення роботоздатності споруди (запобігання передчасним руйнуванням деталей і спотворення їх робочих поверхонь) полягає у виборі раціонального матеріалу (з урахуванням технології виготовлення) і розмірів, а також форми (з умов нормального функціонування і взаємодії).

Що стосується питання вибору матеріалу деталі, то він наведений в підрозділі 1.3.2. Якщо говорити про вибір форми деталі і її розмірів, то це питання висвітлено в підрозділі 1.3.1. Проте ці питання треба уточнити з позицій міцності.

Таким чином, проектування деталі починають з вибору матеріалу і визначення розмірів, виходячи з критеріїв роботоздатності, а закінчують оцінкою її надійності, зокрема міцностної з внесенням за необхідністю корегувань з метою безумовного забезпечення вимог замовника, сформульованих у технічному завданні (ТЗ).

Міцність – здатність деталі чинити опір руйнуванню. Матеріал, форми і розміри деталі повинні бути вибрані з таким розрахунком, щоб виключити виникнення не припустимих деформацій (спотворення форми і розмірів), поломки деталі або руйнування (спотворення) її робочих поверхонь. Прийнято вважати, що міцність деталі забезпечена, якщо розрахункові напруги від прикладеної сили:  (нормальне) і  (дотичне) в її небезпечних перерізах не перевищують допускній напрузі: [] і []. При цьому умова міцності виражається наступною залежністю:

або . (1.3)

Допускною напругою називають таку безпечну напругу, яку деталь може витримувати протягом заданого терміну експлуатації. Величина його визначається з виразу (4).

или , (1.4)

де і  гранична напруга нормальна і дотична, залежні від характеру напруженого стану і властивості матеріалу;

к_пр – коефіцієнт запасу міцності.

Розрахунок напруги в деталях здійснюють у такій послідов-ності.

1 На основі аналізів: кінематичного (переміщення, швидкість і пришвидшення) і силового проектованого виробу визначають:

 найбільш важкі умови роботи деталі;

 величини, напрями і місця прикладення діючих на деталь найбільших сил і моментів;

 складають розрахункову схему деталі, здійснюють міцністний розрахунок. При цьому розрізняють навантаги номінальні і розрахункові.

Номінальною навантагою називають умовну, постійну, встановлюваною нормами експлуатаційну навантагу.

Розрахунковою навантагою називають статичне постійна за часом навантага, яка за своєю дією на деталь еквівалентна навантазі, що фактично діє на деталь в її небезпечному перерізі при граничному стані;

 визначають види деформацій, які випробовує деталь від дії прикладених до неї сил і моментів;

 визначають опорні реакції, крутні і гнучи моменти і їх розподіл за довжиною деталі;

 визначають передбачувані небезпечні перерізи, тобто місця виникнення найбільшої напруги;

 вибирають матеріал і уточнюють форму і розміри деталі з урахуванням умов роботи і технології її виготовлення.

Види розрахунків. Проектуючи машину, конструктор спирається передусім на розрахунки, які допомагають йому встановити технічну характе­ристику, кінематичні та силові параметри, розміри і форму дета­лей, запас міцності, довговічність, виходячи з умов експлуатації і величин зовнішніх навантажень. Оскільки конструкція цілком за­лежить від результатів розрахунків, то тут можна говорити про єдність процесів розрахунку і конструювання та взаємозалежність їх, проте провідними є розрахунки, бо вони вказують шляхи отри­мання найкращого технічного результату.

Проектуючи машину або її елементи, конструктор використо­вує такі види розрахунків:

 геометричні (розрахунок розмірних ланцюгів, координат, проміжків);

 кінематичні (розрахунок переміщень, швидкостей, приско­рень, передатних чисел кінематичних ланцюгів тощо);

 динамічні (розрахунок навантажень деталей і їхніх змін у часі);

 розрахунки на міцність та жорсткість (визначення напруг та деформацій елементів машини в робочих режимах);

 енергетичні (розрахунки затрат енергій, параметрів енерге­тичного балансу);

 техніко-економічні (розрахунки продуктивності, вартості, ефективності використання).

Той чи інший розрахунок виконується за такою схемою:

а) добір вихідних даних для розрахунку;

б) складання розрахункової схеми;

в) визначення основних критеріїв роботоздатності об'єкта розрахунку;

г) безпосереднє виконання розрахунку;

д) формулювання висновків.

Розрахунки на міцність та жорсткість залежно від їх місця в усьому процесі проектування і конструювання поділяють на прое­ктні та перевіркові.

Проектні розрахунки використовують для визначення вихід­них розмірів деталей чи їхніх елементів, користуючись у переваж­ній більшості випадків спрощеною методикою. Розміри, здобуті в проектному розрахунку,  це основа для вибору форми деталі та її конструктивних елементів і подальшого зв'язку з іншими деталя­ми у складальній одиниці машини. Інколи доцільно вибирати конструктивну форму і розміри деяких деталей машин, керуючись досвідом про­ектної роботи або беручи до уваги відомі подібні елементи ма­шин, що перевірені практикою.

Перевіркові розрахунки є обов'язковими і найточнішими. Во­ни виконуються за необхідними критеріями роботоздатності на кінцевих етапах проектування і конструювання для всіх відпові­дальних деталей машин. Якщо форма і розміри деталі не відпові­дають критеріям міцності чи жорсткості, то змінюють її розміри або конструкцію і повторюють розрахунок. Для деталей високого ступеня відповідальності або деталей складної форми з точно не встановленим характером навантаження проводять випробування дослідних зразків машин.

При перевірковому розрахунку визначають напруги в небезпечних перерізах деталі згідно наведеним нижче залежностям:

 при розтягу, стиску і зминанні:

,

 при зрізі:

,

 при гнутті:

(1.5)

,

 при крученні:

,

де Р – сила, що діє на деталь;

М_і и М_к – відповідно гнучий і крутний моменти;

F  площа попереччя деталі;

W_і и W_k – відповідно моменти опору площі перерізу деталі при розрахунку на гнуття й кручення.

При проектному розрахунку, коли розміри небезпечних перерізів невідомі, їх визначають на основі вибраної і допускної напруги [ ] або [ ].

Формули для визначення розмірів небезпечних перерізів деталей можуть бути отримані за допомогою перетворення залежностей (1.5), якщо розв’язати їх щодо шуканого розміру перерізу деталі. Наприклад, для деталей круглого попереччя (типу валу):

(1.6)