2.2. Параметры машин, исследуемые экспериментально.

Методология обеспечения функционирования, прочности и ресурса машины основывается на теоретическом и экспериментальном обосновании расчетных условий и расчетных критериев. Расчетные критерии содержат теоре­тические концепции (теории прочности, суммирования повреждений, трения и изнашивания и тд.) и эмпирическое обеспечение — базовые данные и зависимости (механические характеристики, кривые усталости, ползучести и тд.). Расчетные критерии формулируют в размерностях параметров, характеризующих силовые, кинематические, динамические, триботехнические, энергетические, тепловые, химические факторы взаимодействия узлов и машин со средой. Отметим некоторые из параметров: внешние нагрузки, напряжения, деформа ции, силы, моменты, потоки, перемещения, скорости, ускорения, КПД, мощность, коэффициенты трения, параметры износа, амплитудно-фазочастотные характеристики, уровень и частотный спектр шума, теплосмены и тд. Кинематические параметры механизмов и машин исследуют аналитическими и графическими методами кинетостатики. Законы движения и точность их воспроизведения при эксплуатационной нагрузке проверяют на структурных моделях и готовом агрегате.

Нагрузки и условия эксплуатации. Рабочие органы технологических машин, транспортные и грузоподъемные устройства передают или преобразуют энергию согласно своему функциональному назначению. Они определяют силовое статическое равновесие частей и динамическое взаимодействие при движении машины в целом или ее отдельных агрегатов. Корпусные детали, рамы, силовые оболочки и основания воспринимают реакции опор от движущихся узлов, или сами, испытывая перегрузки, передают усилия на опорные или транспортные устройства. При определенных режимах эксплуатации частоты внешних сил могут совпадать с собственными частотами механической системы, возникают колебания, вибрации, флаттерные, кавитационные и другие динамические явления. Изучение внешних нагрузок на прототипе, применение приближенных расчетных методов, физических моделей и аналогий, статистические оценки нагруженности позволяют сформулировать на этапах технического предложения и эскизного проекта расчетные условия, приближенно определить уровни и повторяемость внешних нагрузок и комбинации условий эксплуатации.

Перемещения и деформации. Перемещение как изменение местоположения гочки тела в пространстве относительно базовой точки, линии или плоскости является важной интегральной характеристикой деформируемого узла, агрегата, детали. Перемещение, замеренное на участке длины l твердого тела (базы), вызванное любыми причинами (механическими нагрузками, тепловым расширением и т.д.), определяет абсолютную деформацию Δl и, отнесенное к величине базы, относительную деформацию или просто деформацию.

Перемещения в плоскости обозначают и и v, перемещения из плоскости — w, В декартовых координатах направление перемещений и совпадает с осью x, v— с осью у, w — с осью z. Линейные перемещения тонкостенных изгибаемых конструкций — пластин, оболочек, мембран, замеряемые в направлении перпендикулярном к срединной поверхности объекта, называют прогибами, в задачах динамики и вибрации — амплитудами или смещениями. Угловые перемещения — углы закручивания при статическом кручении или в быстровращающихся системах при переходных процессах, при крутильных колебаниях — измеряют в механике как важный параметр, характеризующий динамику валов, роторов, гироскопов и т.д.

Измерение деформаций и перемещений составляет основу практически всей информации в экспериментальной механике машин. Так, по значениям деформаций определяют предельное напряженно-деформированное состояние (НДС) деталей. Посредством измерения деформаций или перемещений в большинстве практических случаев нагрузки на машины и агрегаты определяют в условиях эксплуатации и испытаний. Измерение деформаций в экспериментах дает исходные данные для определения внутренних сил, моментов, сдвигов, распределенных усилий и силовых потоков, раскрывает статическую неопределимость конструкции, устанавливает реальные граничные условия. Измерение деформаций в местах резких изменений жесткостей, толщин и концентрации напряжений определяет исходные данные для оценки усталостной прочности конструкции и решений о конструктивном снижении уровня местных напряжений. Измерение деформаций, перемещений и их производных при формоизменении материалов и полуфабрикатов позволяет решать задачи по оптимизации технологических процессов и инструмента в обработке металлов давлением. По существу методы и средства измерения деформаций являются основой для экспериментального изучения механики машин.

Выполняют следующие расчеты:

1) на прочность (однократную, максимальную, статическую нагрузку)

для определения несущей способности;

2) на максимальные или средние эксплуатационные нагрузки для определения НДС функционирования и оценки запасов по расчетным критериям (длительная прочность, ползучесть, контактное изнашивание, остаточная прочность и т. д.);

3) на эксплуатационные нагрузки по гистограмме нагружения или по программному эквивалентному циклу на долговечность (усталость) с учетом факторов изнашивания и разупроченения в эксплуатационных условиях для последующей оценки (прогнозирования) ресурса.

Для расчетов необходимо иметь механические и упругие характеристики полуфабрикатов, базовые кривые усталости, ползучести, длительной прочности; характеристики трещиностойкости, предельные кривые устойчивости и т. д. Но поскольку значения почти всех базовых данных имеют вероятностный характер, конструктор в зависимости от типа машины, требуемого уровня надежности, доли материалоемкости силовых конструкций в общей массе машины и других параметров назначает предельные, расчетные, допускаемые значения базовых данных и характеристик полуфабрикатов. Например, кривые усталости для образцов материалов можно построить по средним (медианным) значениям точек разброса или по огибающей к нижним значениям.

Методология расчетов на прочность, долговечность и функционирование основана, как известно, на сравнении компонентов НДС или условных эквивалентных напряжений с допускаемыми базовыми значениями, полученными на стандартных образцах при одноосных напряженных состояниях. Несмотря на условность этой концепции, накоплен значительный опыт и сформулированы полуэмпирические критерии, дающие возможность с той или иной точностью рассчитать запасы прочности по несущей способности, долговечности, контактной повреждаемости, длительной прочности и т. д. Поэтому одним из важных этапов является расчетное или экспериментальное определение НДС в конструкции при расчетных случаях нагружения.

Компоненты напряжений для различных областей деформирования находят на основе измерения деформаций экспериментальными методами с использованием основных зависимостей механики твердого тела. Зависимости σ - ε, σ - ε - t, σ - ε –Т для объемного НДС имеют компактную структуру только в матричной форме. В развернутом виде, когда достаточно хорошо виден физический смысл процесса или возможна графическая интерпретация, эти зависимости приведены в справочной литературе. После определения компонент напряжений в зависимости от типа материала и условий нагружения выбирают критерии прочности или разрушения.

К настоящему времени на основе обобщения большого числа экспериментальных данных, специально поставленных исследований и сравнительного анализа критериев по типам материалов и НДС наиболее перспективным и обосно­ванным представляется критерий Писаренко — Лебедева в форме:

, (2.1)

где — интенсивность напряжений;

; (2.2)

|σ| — допускаемое напряжение при одноосном растяжении или ;

- наибольшее (главное) растягивающее напряжение;

параметр или характеризует различие свойств материала сопротивляться растяжению и сжатию. Физический смысл члена в уравнении — вклад сдвиговой деформации в разупрочнение материала, тогда как член характеризует ту долю растягивающих напряжений в НДС, которая ответственна за раскрытие микротрещин в поверхности разрушения.

Критерий хорошо экспериментально обоснован. При значении (идеально хрупкий материал) он принимает вид, соответствующий критерию макси­мальных нормальных напряжений; при (идеально пластичный материал) соотношение (2.1) преобразуется в уравнение энергетической теории Мизеса— Генки. Параметр определяется по результату двух опытов, проведенных при разных НДС, например растяжении - сжатии, растяжении — чистом сдвиге и т.д. Ориентировочные значения параметра для различных материалов приведены ниже.

Чугуны:

высокопрочные ............0,2-0,3

ковкие……………………...…...……...…...........0,7-0,95

модифицированные…….………………….......0,4-0,5

серые…………………………………………….0,2-0,4

Углеродистые стали ……...0,9-1,0

Инструментальные стали после термообработки….0,4-0,5

Баббиты ……...0,5-0,8

Металлокерамические композиции на

основе карбида вольфрама, карбида кремния.....0,1-0,4

Термореактивные пластмассы ……...0,2-0,5

Углеграфитовые композиции, графиты ……...0,2-0,6

Стекло, ситаллы …......0,2-0,07

Критерий может быть применен для оценки прочности структурно-неоднородных материалов (графита, чугуна, хрупких термореактивных пластмасс и т. д.). Таким образом, к параметрам для расчета прочности и несущей способности необходимо добавить характеристики материала на сжатие или параметр .