Попередження поломок деталей

Для попередження поломок деталей на верстатах установлюють різного типу запобіжні пристрої, що відключають верстат або його окремі механізми при виникненні перевантажень.

На металорізальних верстатах застосовують запобіжні пристрої механічного, гідравлічного й електричного типів або їхніх комбінацій.

Одні конструкції пристроїв відновлюють працездатність устаткування автоматично після припинення перевантаження, інші — при повторному включенні або після заміни запобіжника.

По способі попередження розрізняють запобіжні пристрої, що припиняють подачу енергії, що поглинають, що акумулюють або відводять енергію.

До запобіжних пристроїв, що припиняють подачу енергії, від носяться пристрої з елементом:

що руйнується, (шпонкою, що зрізується; штифтом, що продавлюється шайбою; мембраною, що розривається стрижнем; електричні плавкі запобіжники),

що виключають механізми (падаючі черв'яки, кулачкові і кулькові муфти, черв'яки в сполученні з муфтами або кінцевими вимикачами),

що виключають, а потім включають механізми (електричні реле, теплові реле, гідроелектричні реле підтримки тиску і рівня рідини й інші).

До запобіжних пристроїв, що поглинають енергію, відносяться фрикційні конусні, дискові і кільцеві муфти, до пристроїв, що акумулюють енергію,— кулачкові і кулькові муфти, роликові і пружинні механізми для захисту тяг і шатунів, пружні елементи, що відгинаються.

У запобіжних пристроях, що відводять енергію, застосовуються гідравлічні запобіжні клапани (диференціальним і прості) зі звичайним і дистанційним керуванням.

Запобіжні пристрої надійно працюють тільки тоді, коли справні, правильно відрегульовані, а їхні чуттєві елементи виготовлені з відповідних матеріалів.

Особливості руйнування елементів машин з позицій теорії зародження і розвитку тріщин

Впровадження в практику досліджень растрового електронного мікроскопа, що дозволяє здатність якого дозволяє чітко розмежувати стадії виникнення і розвитку тріщин, починаючи з моменту зламу мікроструктури, дозволило провести вивчення механіки тріщин від утоми.

На цьому мікроскопі вдається спостерігати початок процесу концентрації розсіяних мікротріщин і переростання їх в одну кінцеву тріщину критичного розміру, що під впливом прикладених зусиль після повільного росту переходить у катастрофічний стан. Однак такий процес не носить раптового характеру, він складається з послідовного об'єднання сусідніх мікротріщин, зменшення числа мікротріщин, і прискорення росту розмірів однієї з тріщин. Така тріщина називається кінцевої, і саме вона приводить до руйнування від утоми.

Для визначення характеристик в'язкості руйнування (тріщиностійкості) матеріалів використовуються в якості стандартних циліндричні стрижні з кільцевою тріщиною.

Експериментальні дослідження показали, що характеристики тріщиностійкості істотно залежать від виду напруженого стану у вершині тріщини й у значній мірі визначають, чи буде мати місце крихке, квазікрихке або в’язке руйнування.

Процес руйнування може бути представлений у виді трьох основних стадій:

I — формування полючи пружних деформацій, досягнення локальними пластичними деформаціями критичних значень;

II — стійкий докритичний ріст тріщин. На цьому етапі розвиток локальних пластичних деформацій приводить до утворення замкнутих пластично деформованих зон у вершині тріщини.

Відповідно до концепції квазикрихкого руйнування Ирвіна-Оровані при збільшенні навантаження відбувається збільшення пластичної області до деякого граничного стану. Після цього відбувається локальне руйнування, що приводить до просування тріщини; при цьому пластична зона одночасно зі збільшенням своїх розмірів зміщається як тверде ядро в напрямку росту тріщини разом з її кінцем.

III — нестабільний розвиток тріщин. У момент переходу до цієї стадії розміри пластичних деформованих обсягів у вершині тріщини істотно збільшуються в міру навантажения об'єкта. На цьому етапі відбувається руйнування виробу з утворенням зони долому.

При цьому макрокрихке руйнування має місце при великих і малих довжинах тріщин. При середніх довжинах тріщин має місце утворення областей розшарувань і розривів, у напрямках, перпендикулярних напрямкові поширенню тріщини (при підвищеній твердості напруженого стану) .

Тріщина від утоми завжди виникає в тій точці металу, де відношення місцевого напруження до границі витривалості металу найнижче. Звичайно ці точки знаходяться на поверхні деталі.

Пояснюється це тим, що міцність металу по його поперечному перерізі порівняно однакова, а максимальна напруга при крутінні або вигині знаходиться в крайніх волокнах.

Інша картина спостерігається при наявності тріщин або інших металургійних дефектів усередині матеріалу. Ці дефекти приводять до зниження міцності матеріалу в околиці дефекту. У результаті усередині деталі розвивається тріщина, що поширюється як у напрямку до поверхні, так і до центра деталі.

Для забезпечення міцності деталей звичайно підвищують характеристики міцності матеріалу. Однак це не обов'язково приводить до підвищення надійності, тому що при збільшенні характеристик міцності, збільшується і чутливість матеріалу до утворення тріщин.

Пластична деформація матеріалу, що виникає у вершини тріщини, не робить істотного впливу на розподіл напруг доти, поки розміри зони пластичної деформації малі в порівнянні з розмірами деталі і тріщини. У зв'язку з цим лінійно-пружна механіка руйнування застосовна насамперед до матеріалів високої міцності і (або) до великих деталей.

Високоміцні матеріали з високим значенням границі текучості при наявності тріщини мають низьку статичну міцність, а при їхньому руйнуванні зона пластичної деформації дуже мала.

У великих деталях у вершині тріщини має місце плоский напружений стан розтягання, що перешкоджає пластичному плинові металу, у зв'язку з чим зона пластичної деформації у вершини тріщини залишається невеликий.

У випадках рівності коефіцієнтів інтенсивності напруг (однаковий матеріал, однакові умови навколишнього середовища) опірність деталей крихкому руйнуванню однакова.

Опірність розвиткові тріщини у всіх матеріалів має своя межа. Якщо ця межа перевищена, тобто перевищене критичне значення інтенсивності напруги, що відповідає в'язкості руйнування, то відбувається спонтанне крихке руйнування.

Таким чином, опірність матеріалу з тріщиною руйнуванню можна оцінити іспитами стандартних зразків. По отриманій з цих іспитів характеристиці матеріалу, який може бути в'язкість руйнування, можна розрахувати міцність деталі складної форми з тріщиною.

В'язкість руйнування матеріалу однієї марки може значно розрізнятися в залежності від виду напівфабрикату, технології виготовлення де талів і їхніх розмірів, температури і т.п. Крім того, може змінюватися в процесі експлуатації за рахунок зростання крихкості, внаслідок опромінення, виду корозійного середовища, температури й інших факторів.

Досліди показують, що швидкість поширення тріщин сильно міняється не тільки між різними зразками, але навіть у залежності від N (числа циклів навантаження). Тому процес розвитку тріщин не можна розглядати як стабільний, рівномірний процес.

З теорії „розкриття і закриття" тріщин випливає, що при навантаженні вигином у тріщин, що виходять на поверхню деталі, максимальне зміцнення матеріалу буде мати місце у вершині тріщин і в місці зародження.

Мінімум зміцнення повинний знаходитися на середині тріщини. По такій же закономірності повинна розподілятися величина накопиченої пластичної деформації. Ступінь зміцнення матеріалу в міру видалення від краю тріщини повинна зменшуватися по залежності, близької до експоненти.

Наявність зміцненого шару в основи тріщини повинне перешкоджати її поширенню, і, отже, існує деяка гранична величина навантаження при перевищенні якої тільки можливий ріст тріщини від утоми.

Цим можна пояснити той факт, що технологічні дефекти однієї величини й одного типу приводять до зламів від утоми тільки при деяких умовах експлуатації.

Якщо в монолітних матеріалах тріщини розвиваються в глиб тіла, то в композитах — у міжшаровому проміжку. Це приводить до розшарування композита від утоми, при цьому швидкість поширення безупинно збільшується в міру збільшення циклів навантаження.

Товщина прошарку полімерних композитів, як звичай, складає 1/20 — 1/10 частина товщини окремого шару. Міцність прошарку звичайно порівняно низька, а виникаючі в них напруги великі. Це приводить до того, що наявні в них дефекти (пори, включення, розриви шарів і т.п.) приводять до розвитку з них тріщин у міжшаровому проміжку, особливо при циклічних навантаженнях.