2. Требования, предъявляемые к разрабатываемым конструкциям Классификация требований, предъявляемых к изделиям

Требования, предъявляемые к изделиям, можно классифицировать сле­дующим образом (Рис. 2.1):

Рис. 2.1. Классификация требований, предъявляемых к изделиям

Эксплуатационные требования

Эксплуатационные требования, в свою очередь, классифицируются следующим образом (Рис.2.2):

Рис. 2.2. Классификация эксплуатационных требований

Соответствие целевому назначению. Целевое назначение изделия и объем выполняемых им функций определяется при проектировании с учетом требований наименьшей стоимости и экономичности при эксплуатации. В изделии не должно быть неиспользуемых или редко используемых органов.

Надежность. Надежность — это свойство машины, ее узла или детали выполнять за­данные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели (производительность, мощ­ность, расход энергии, точность и др.) в заданных пределах в течение требуемого промежут­ка времени или требуемой наработки (в километрах, гектарах, кубометрах, циклах или дру­гих единицах).

Показателем надежности может служить вероятность безотказной работы в заданном ин­тервале времени или в пределах заданной наработки. Очевидно, чем ближе эта вероятность к единице, тем выше надежность рассматриваемой конструкции.

Надёжность слагается из ряда свойств: безотказности, долговечности, ремонтопри­годности и сохраняемости.

a) Безотказность - свойство изделия сохранять работоспособность в течение некоторой наработки без вынужденных перерывов;

b) Долговечность - свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для техниче­ского обслуживания и ремонта;

c) Ремонтопригодность - приспособленность изделия к предупреждению и обнару­жению причин возникновения отказов и поддержанию работоспособности путём проведения технического обслуживания и ремонта.

Для обеспечения ремонтопригодности проектируемых изделий, упрощения и уско­рения проектирования и производства машин конструкторами используются принципы взаимозаменяемости и стандартизации.

Взаимозаменяемость — принцип конструирования и производства детален, обеспе­чивающих правильную сборку и замену при ремонте независимо изготовленных деталей и узлов без дополнительной их обработки с соблюдением требований качества и экономии.

Стандартизацией называется установление специальных норм (стандартов), кото­рым должны соответствовать определённые виды или параметры деталей.Стандартизацией называется установление специальных норм (стандартов), кото­рым должны соответствовать определённые виды или параметры деталей.

d) Сохраняемость - свойство изделия сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения или транспортировки.

Обеспечение надёжности машин и механизмов ведётся на трёх этапах их создания и использования: проектирования, изготовления и эксплуатации.

2. Работоспособность. Этим понятием определяется такое состояние машины или любой ее детали, при котором она способна выполнять заданные функции с параметрами, установ­ленными требованиями технической документации, с сохранением прочности, неизменяе­мости размеров и формы, устойчивости, износостойкости, необходимой жесткости, тепло­стойкости и виброустончивости.

Перечисленные физические свойства элементов машин (прочность, жесткость и др.). на­рушение которых приводит к выходу из строя машины или детали, носят название критери­ев работоспособностию. Работоспособность деталей машин обеспечивается приданием им надлежащих размеров и формы, рациональным выбором материалов для их изготовления и использованием упроч­няющей технологии и средств антикоррозионной защиты.

Проверка работоспособности деталей и узлов машины может быть выполнена экспери­ментально или расчетом.

Прочность и жесткость всего изделия определяется прочностью и жесткостью его отдельных деталей. ПРОЧНОСТЬ – способность детали сопротивляться разрушению или необратимому изменению формы (деформации);

Прочность детали характеризуется рабочим напряжением, возни­кающим в материале детали при действии нагрузки. Рабочее напряжение не должно превышать допускаемое. Условие прочности имеет вид:

где Р —нагрузка, F —площадь.

ЖЁСТКОСТЬ – способность детали сопротивляться любой деформации;

Жесткость детали характеризуется величиной деформации детали под действием нагрузки. Если деформируются ось или вал, то их жесткость характеризуется стрелой прогиба (Рис. 2.3).

Рис. 2.3. Схемы:а) вала; б) оси; в) стрелы прогиба

Условие жесткости записывается в виде выражения:

Износоустойчивость и долговечность. Оба эти качества характери­зуют надежность изделия при эксплуатации, увеличивая или сокращая срок его службы. Пренебрежение этими требованиями приводит к тому, что на ремонт изделия, находящегося в эксплуатации, затрачивается средств боль­ше, чем на изготовление нового такого же изделия.

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ – способность сохранять первоначальную форму своей поверхности, сопротивляясь износу;

ТЕПЛОСТОЙКОСТЬ – способность сохранять свои свойства при действии высоких температур;

ВИБРОУСТОЙЧИВОСТЬ – способность работать в нужном диапазоне режимов без недопустимых колебаний.

Защита от перегрузки. Изделие в процессе работы может испытывать дополнительные нагрузки на отдельные звенья. При этом напряжение в ма­териале этих звеньев может превысить допускаемое. В итоге возможна по­ломка звеньев. Конструктор обязан учесть эти обстоятельства и предусмат­ривать предохранительные устройства.

Надежность при эксплуатации - это работа изделия без перебоев, не­поладок и аварий в течение длительного времени. Надежность достигается правильным решением вопросов при проектировании изделия, связанных с прочностью, жесткостью, а иногда и виброустойчивостью.

Надежность изделия определяется его способностью сохранять свои проектные характеристики во времени, в процессе эксплуатации. В этом и состоит физическая сущность надежности изделия.

Надежность любого технического средства зависит не только от каче­ства выполнения его узлов и деталей, но и от их количества. С точки зрения надежности рассматривается два вида соединений эле­ментов изделия (Рис. 2.4) - последовательное и параллельное.

Последовательным называется соединение, при котором поломка хотя бы одного элемента приводит к нарушению работоспособности всего уст­ройства.

Параллельным называется соединение, при котором изделие выйдет из строя только после поломки параллельно соединенных (дублирующих) эле­ментов. Применение параллельного соединения (резервирование) - важное средство повышения надежности изделия.

Рис. 2.4. Соединения элементов изделия: а) последовательное; б) параллельное

До сравнительно недавнего времени надежность изделия лишь подра­зумевалась, но не поддавалась количественному расчету ее параметров. Сра­батывали лишь интуиция конструктора и технолога. О действительной на­дежности изделия узнавали только после начала его эксплуатации.

В настоящее время понятие «надежность» устанавливается ГОСТом НАДЕЖНОСТЬ В ТЕХНИКЕ. ТЕРМИНЫ». В соответствии с ГОСТом надежность определяется, как свойство изделия выполнять задан­ные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пре­делах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки.

В это определение надежности входят три важных элемента:

- выполнение заданных функций ;

- время, в течение которого должно быть обеспечено выполнение этих функций:

- условия эксплуатации, в которых может быть обеспечено выполне­ние этих функций.

При всей значимости всех описанных критериев, нетрудно заметить, что ПРОЧНОСТЬ ЯВЛЯЕТСЯ ВАЖНЕЙШИМ КРИТЕРИЕМ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И НАДЁЖНОСТИ. РАБОТОСПОСОБНОСТЬ деталей и машин определяется как свойство выполнять свои функции с заданными показателями и характеризуется следующими критериями:

Невыполнение условия прочности автоматически делает бессмысленными все другие требования и критерии качества машин [5, 26, 30, 36]. Действительно, немногого стоит технологичная, жёсткая, износостойкая, теплостойкая, виброустойчивая, дешевая в эксплуатации, ремонтопригодная конструкция самого передового дизайна, если она сломалась при первой же нагрузке!

Общие принципы прочностных расчётов

Все этапы проектирования, каждый шаг конструктора сопровождается расчётами. Это естественно, т.к. грамотно выполненный расчёт намного проще и в сотни раз дешевле экспериментальных испытаний.

Чаще всего конструктор имеет дело с расчётами на прочность [5, 12, 35].

Различают проектировочные и проверочные расчёты.

Проектировочный расчёт выполняется, когда по ожидаемым нагрузкам, с учётом свойств материала определяются геометрические параметры деталей.

Проверочный расчёт выполняют, когда известна вся "геометрия" детали и максимальные нагрузки, а с учётом свойств материала определяются максимальные напряжения, которые должны быть меньше допускаемых.

Несмотря на такие "провокационные" названия, следует помнить, что оба этих вида расчётов всегда сопутствуют друг другу и выполняются на стадии проектирования деталей и машин.

Математическая формулировка условия прочности любой детали очень проста:

  [],   [] .

Или, говоря техническим языком:

НАПРЯЖЕНИЯ В МАТЕРИАЛЕ ДЕТАЛИ

ДОЛЖНЫ БЫТЬ МЕНЬШЕ ДОПУСКАЕМЫХ

Всегда, везде, при любых обстоятельствах конструктор обязан учитывать и обеспечивать такие условия работы, чтобы напряжения в материале деталей не превышали допускаемых.

В качестве допускаемых нельзя назначать предельные напряжения, при которых наступает разрушение материала.

Разница между допускаемыми и предельными напряжениями похожа на разницу между краем платформы метро и «белой линией», проведённой примерно в полуметре перед краем. Переход через «белую линию» грозит замечанием от дежурного, а стояние на краю – гибелью.

Допускаемые напряжения следует принимать меньше предельных, "с запасом": [σ] = σ_{предельное} / n,

где n - коэффициент запаса (обычно 1,2  n  2,5) .

В разных обстоятельствах коэффициент запаса может быть либо задан заказчиком, либо выбран из справочных нормативов, либо вычислен с учётом точности определения нагрузок, однородности материала и специфических требований к надёжности машин.

Выполнение всех видов прочностных расчётов для каждой детали займёт очень много времени. Поэтому инженер должен сначала изучить опыт эксплуатации подобных изделий. Это особенно удобно для типовых деталей и машин. Следует обратить внимание на то, какой вид поломок встречается чаще всего. Именно по этому виду поломок, точнее по вызывающим их напряжениям, следует выполнять предварительно проектировочный расчёт. По его результатам строится форма детали, а проверочный расчёт выполняется по напряжениям, вызывающим менее опасные дефекты.

В расчётах не следует гнаться за "абсолютной" точностью и использовать сложные "многоэтажные" формулы. Обширный опыт инженеров-расчётчиков показывает, что усложнение методик расчёта не даёт новых результатов.

Крупнейший советский специалист по прочностным расчётам деталей машин И.А. Биргер заметил [5], что в технических расчётах "всё нужное является простым, а всё сложное – ненужным". Впрочем, похожая мысль высказывалась уже в библейских текстах, хотя и не по поводу машин.