Лекция 3 Основные требования к машинам и их деталям. Показатели работоспособности деталей машин.

Машины, механизмы, приборы, аппараты, приспо­собления, инструменты и другие изделия основного и вспо­могательного производств машиностроительных предприятий изготовляют из деталей. Деталью принято называть элемент конструкции, изготовленный из материала одной марки без применения сборочных операций (например, болт, гайка, вал и т. д.).

Совокупность деталей, соединенных на предприятии-изго­товителе сборочными операциями (завинчиванием, сваркой и т. д.) и предназначенных для совместной работы, назы­вают сборочной единицей (узлом). Простейший узел является составной частью более сложного узла, который, в свою оче­редь, оказывается узлом изделия, комплекса и т. п. Харак­терными примерами узлов являются (по мере нарастания сложности) подшипник, узел опоры, редуктор и т. п.

Изготовление конструкций и узлов из деталей позволяет использовать различные материалы, облегчает их изготовление, эксплуатацию и ремонт, обеспечивает возможность их нор­мализации и стандартизации, изготовления на специализи­рованных заводах и т. д.

В каждой машине число деталей исчисляется сотнями, тысячами, а в крупных машинах, например в самолете — миллионами. Несмотря на различное конструктивное офор­мление и назначение машин_, детали и узлы в них в ос­новном одинаковые (типовые и стандартные). К их числу относятся различные соединения (резьбовые, сварные, шлицевые и др.), передачи (зубчатые, винтовые, гибкой связью и др.) и их детали, валы, муфты и опоры, уплотнения и устройства для смазывания, пружины и др.

К машинам, проектируемым и изготовляемыми в настоящее время, предъявляется общее требование соответствия наивысшему современному мировому техническому уровню. Это обеспечивается:

• увеличением производительности и мощности машин;

• повышением скоростей, давлений и других показателей интенсивности производственных процессов;

• повышением коэффициентов полезного действия машин;

• снижением веса и габаритов;

• широкой автоматизацией управления;

• повышением надежности и долговечности;

• снижением стоимости изготовления и увеличением экономической эффективности эксплуатации;

• удобством и безопасностью обслуживания;

• удовлетворением требований технической эстетики.

К деталям машин предъявляют вытекающие отсюда требования работоспособности, надежности, технологичности, экономичности, эстетичности и др.

Надежность. Под надежностью понимают свойство изделия (детали, узла, машины) выполнять функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение заданного промежутка времени или требуемой наработки.

Надежность является общей проблемой для всех отраслей машиностроения и приборостроения. Любая современная ма­шина или прибор, какими бы высокими характеристиками они не обладали, будут обесценены при ненадежной работе.

Надежность изделия зависит от необходимой наработки, которая может исчисляться в часах работы станка, налета самолета и т. д., в километрах пробега автомобиля, гектарах обработанной земли для сельскохозяйственной машины и т. д. Надежность зависит от всех этапов создания и эксплуатации изделий. Ошибки проектирования, погрешности в производстве, упаковке, транспортировке и эксплуатации изделия сказываются на его надежности.

Работоспособность. Работоспособностью называют состоя­ние деталей, при котором они способны нормально выпол­нять заданные функции с параметрами, установленными нор­мативно-технической документацией (техническими условиями, стандартами и т. п.). Работоспособность и надежность деталей машин оценива­ются определенными условиями и показателями — критериями. Важнейшими из них являются: 1) прочность; 2) жесткость; 3) износостойкость; 4) виброустойчивость и др.

При расчете и проектировании деталей обычно используют один или два критерия, а остальные критерии удовлетво­ряются заведомо или не имеют практического значения для рассматриваемых деталей.

Прочность. Деталь не должна разрушаться или получать остаточные деформации под влиянием действующих на нее сил. Недопустимыми являются поломки и разрушения рабочих поверхностей детали.

При заданной нагрузке и выбранном материале необходимая и достаточная прочность детали обеспечивается такими ее размерами и формой, которые исключают поломку и появление остаточных деформаций. Это требование удовлетворяется при расчете по допускаемым напряжениям, т.е. при выполнении условия прочности, выражаемого неравенством

Это неравенство означает, что наибольшие напряжения, возникающие в деталях машин, должны не превышать допускаемых, но быть близкими к ним, чтобы возможно полно использовался материал и уменьшался вес детали.

Допускаемые напряжения определяют по формулам

где σ_пред, τ_пред – предельное (опасное) напряжение при котором происходит разрушение или возникают пластические деформации; п – коэффициент запаса.

Выбор предельного напряжения зависит от материала детали, вида деформации детали (растяжение, сжатие, кручение и т.д.) и характера изменения напряжений во времени.

Жесткость. Жесткостью называют количественно характеризуемую способность деталей сопротивляться деформации под действием сил. Во многих случаях этот показатель работоспособности деталей оказывается наиболее важным и для его обеспечения приходится так увеличивать размеры детали, что действительные напряжения становятся значительно меньше допускаемых.

Требования к жесткости вызываются необходимостью обеспечения удовлетворительной совместной работы сопряженных деталей, а так же удовлетворительной работы машины в целом.

Под действием сил детали получают упругие деформации: валы прогибаются и скручиваются, болты растягиваются и т.д. Например, в результате деформации валов их опорные сечения поворачиваются, что отрицательно сказывается на работе подшипников; прогибы и углы поворота валов в местах посадки зубчатых колес приводят к неравномерному распределению нагрузки по длине зубьев.

Поэтому помимо расчетов на прочность для ряда деталей выполняют расчеты на жесткость путем сравнения фактических перемещений (прогибов, углов поворота, углов закручивания) с допускаемыми (нормированными).

Износостойкость. Износ является главной причиной выхода из строя деталей машины. Необходимость замены изношенных деталей или их восстановления ведет к частым остановкам машин и простоям для выполнения мелких и капитальных ремонтов. Износ ведет также к потере точности машин, что для многих их типов (например, станков) служит одним из основных эксплуатационных показателей.

Различаю три основных вида износа:

1. механический, вызываемый царапающим действием неровностей трущихся деталей и посторонних твердых частиц, попадающих на трущиеся поверхности;

2. молекулярно-механический при заедании, т.е. местном сваривании (с высокими скоростями скольжения и давлениями) и последующем вырывании одной деталью приварившихся к ней частиц с поверхности другой детали при относительном движении;

3. коррозионно-механический, при котором продукты коррозии стираются механическим путем.

Расчеты на износ носят обычно условный характер и сопутствуют расчетам на прочность. Так, например, в формулу на прочность зубчатых колес по изгибу вводят поправочный коэффициент на износ, т.е. опытный коэффициент, при котором зубу колеса придаются такие размеры, что обычный износ поверхностей зубьев не приводит к преждевременному недопустимому их утонению и разрушению.

Теплостойкость. В результате тепловыделения, связанного с рабочим процессом или с трением, детали некоторых машин работают в условиях повышенных температур (> 100°C). При температурах свыше 250°С снижается пластичность черных металлов.

При длительной работе в таких условиях (300-400°С) появляется медленная непрерывная пластическая деформация – ползучесть. При повышенной температуре снижается смазывающая способность масел и появляется опасность повышенного износа и заедания. Наконец, вследствие тепловых деформаций может понизиться точность машины.

Нежелательные явления, которые сопровождают тепловыделение, предотвращаются проведением специальных тепловых расчетов: определением рабочей температуры частей машины, установлением рабочих напряжений и сравнением их с так называемым пределом ползучести для материала детали и т.д.

Виброустойчивость. Под этим подразумевают способность машины работать с заданными скоростями и нагрузкой без колебаний недопустимой интенсивности.

Помимо указанных выше основных показателей работоспособности, детали машин должны иметь также следующие технико-экономические характеристики.

Технологичность. Форму и материал детали нужно выбирать такими, чтобы изготовление ее требовало наименьших затрат труда и времени в производстве, эксплуатации и ремонте.

Технологичность деталей обеспечивается:

• очерчиванием их простейшими поверхностями (цилиндри­ческими, коническими и др.), удобными для обработки меха­ническими и физическими методами;

• применением материалов, пригодных для безотходной об­работки (давлением, литьем, прессованием, сваркой, лазерной и т. п.);

• ресурсосберегающей технологии;

• системой допусков и посадок и другими средствами и ме­тодами.

Детали и узлы машин должны быть конструктивно гиб­кими, т. е. приспособленными к гибкому автоматизированному производству (ГАП). Для этого их конструкции должны ха­рактеризоваться также высокой преемственностью и высоким уровнем стандартизации и унификации конструкционных эле­ментов, материалов, расчетов и технологий, возможностью «сращивания» систем автоматизированного проектирования и производства и др.

Экономичность. При оценке экономичности учитывают затраты на проектирование, изготовление, эксплуатацию и ре­монт.

Экономичность деталей и узлов достигается оптимизацией их формы и размеров из условия минимума материалоем­кости, энергоемкости и трудоемкости производства, за счет максимального коэффициента полезного действия в эксплуата­ции при высокой надежности; высокой специализацией про­изводства и т. д.

Эстетичность. Совершенство и красота внешних форм дета­лей, узлов и машины в целом существенно влияют на отношение к ней со стороны обслуживающего персонала и потребителей.

Красивый внешний вид деталям, узлам и машине придают форма и внешняя отделка конструкции (плавные линии, декоративная по­лировка, окраска, нанесение гальванических покрытий и окисных пленок и т. д.).

Малый вес и минимальные габариты. Деталь должна иметь достаточную прочность, жесткость и износостойкость при минимально возможных габаритах и весе. Достичь этого можно, например, путем широкого использования облегченных профилей проката (широкополых балок, тонкостенных, гнутых и пустотелых профилей), применения современных методов поверхностного упрочнения металлов (закалка токами высокой частоты, цементация, азотирование, дробеструйный наклеп, пористое хромирование), использования высокопрочных чугунов и легких сплавов, внедрения неметаллических материалов в замен черных и цветных металлов, совершенствования конструктивных форм деталей.

Недефицитность материала. Все указанные требования не должны выполняться за счет применения дефицитных материалов, так как их использование приводит к резкому увеличению стоимости детали.

Безопасность. Форма и размеры детали должны обеспечивать безопасность обслуживающего персонала при изготовлении и эксплуатации машин.

Соответствие государственным стандартам. Деталь должна удовлетворять стандартам, разработанным на формы, сорта и марки материала наиболее употребительных деталей.

Большинство указанных выше показателей работоспособности в основном обеспечивается в процессе расчета детали. В расчетах широко используют не только теоретические формулы, но и эмпирические зависимости, полученные на основе обобщения опыта проектирования и эксплуатации машин. Некоторые величины, необходимы для расчета, должны быть выбраны конструктором с учетом характера нагружения детали и условий ее работы. В расчетные формулы вводят ряд опытных коэффициентов, которые конструктор должен принять по справочной литературе.

Всегда возможны различные варианты решения задачи проектирования детали рациональных размеров и формы: например, применение более качественного материала с более высоким допускаемым напряжением, использование ребер жесткости, термической обработки и т.д. позволяющих уменьшить размеры и вес детали.

Проектировать деталь конструктор может в таком порядке:

1. составить расчетную схему, в которой формы проектируемой детали и характер ее сопряжения с другими деталями представлены в упрощенном виде, а силы, действующие на деталь, приняты сосредоточенными или распределенными по какому-либо простому закону;

2. определить силы, действующие на деталь в процессе работы машины;

3. выбрать материал и, учитывая все факторы, влияющие на прочность детали, определить допускаемые напряжения;

4. определить размеры детали, требуемые по условиям ее прочности (жесткости, износостойкости), соответствующим принятой расчетной схеме;

5. выполнить чертеж детали с указанием всех размеров, точности изготовления, шероховатости поверхностей и прочих сведений, необходимых для ее изготовления.

6. Расчет, выполняемый при этом методе конструирования, называют проектным, или проектировочным.

Однако часто проектирование ведут по другому методу: размеры и форму детали предварительно задает конструктор, исходя из ее назначения, характера соединения с другими деталями и общей компоновкой узла. После этого выполняют проверочный расчет детали, при котором определяют (для принятой расчетной схемы и действующих сил) фактические (расчетные) напряжения и действительные (расчетные) коэффициенты запаса прочности n и сравнивают их с допускаемыми напряжением и требуемым коэффициентом запаса

.

Проверочный расчет часто выполняют и после проектирования. Это необходимо в тех случаях, когда размеры детали, определенные с помощью проектировочного расчета; в ходе конструирования подвергают изменениям по тем или иным конструктивным соображениям.

Лекция 4

Этапы создания изделий. Проверка патентной частоты разработок.

Общие сведения о САПР

Построение расчетных моделей

Этапы создания изделий.

Конструирование изделий — творческий процесс со свойственными ему закономерностями построения и развития. Основные особенности этого процесса состоят в многовари­антности решения, необходимости согласования принимаемых решений с общими и специфическими требованиями, предъ­являемыми к конструкциям, а также с требованиями со­ответствующих ГОСТов, регламентирующих термины, опре­деления, условные обозначения, систему измерений, методы расчета и т. п.

Детали, узлы, машины изготовляют по чертежам, вы­полненным на основе проектов — совокупности расчетов, гра­фических материалов и пояснений к ним, предназначенных для обоснования и определения параметров конструкции (ки­нематических, динамических, геометрических и др.), ее про­изводительности, экономической эффективности. Для особо ответственных конструкций проект дополняют макетом или действующей моделью.

Основной задачей проектно-конструкторской подготовки производства (в том числе и в строительстве) является создание комплекта чертежной доку­ментации для изготовления и испытания макетов, опытных образцов (опытной партии), установочной серии и докумен­тации для установившегося серийного или массового произ­водства новых изделий в соответствии с требованиями техничес­кого задания.

Содержание и порядок выполнения работ на этой стадии системы СОНТ регламентируются ГОСТами в единой системе конструкторской документации (ЕСКД). ГОСТ определяет сле­дующие стадии конструкторской подготовки производства (КПП): техническое задание, техническое предложение, эскиз­ный проект, технический проект.

Техническое задание является исходным документом, на основе которого осуществляется вся работа по проектирова­нию нового изделия. Оно разрабатывается на проектирование нового изделия либо предприятием-изготовителем продук­ции и согласуется с заказчиком (основным потребителем), либо заказчиком. Утверждается ведущим министерством (к профилю которого относится разрабатываемое изделие).

В техническом задании определяется назначение будуще­го изделия, тщательно обосновываются его технические и эк­сплуатационные параметры и характеристики: производитель­ность, габариты, скорость, надежность, долговечность и дру­гие показатели, обусловленные характером работы будущего изделия. В нем также содержатся сведения о характере про­изводства, условиях транспортировки, хранения и ремонта; рекомендации по выполнению необходимых стадий разработ­ки конструкторской документации и ее составу; технико-эко­номическое обоснование и другие требования.

Разработка технического задания базируется на основе выполненных научно-исследовательских и опытно-конструк­торских работ, результатов изучения патентной информации маркетинговых исследований, анализа существующих анало­гичных моделей и условий их эксплуатации.

Техническое предложение разрабатывается в том случае, если техническое задание разработчику нового изделия вы­дано заказчиком. Второе содержит тщательный анализ первого и технико-экономическое обоснование возможных тех­нических решений при проектировании изделия, сравнитель­ную оценку с учетом эксплуатационных особенностей проек­тируемого и существующего изделия подобного типа, а также анализ патентных материалов.

Порядок согласования и утверждения технического пред­ложения такой же, как и технического задания. После согла­сования и утверждения техническое предложение является основанием для разработки эскизного проекта. Последний разрабатывается в том случае, если это предусмотрено тех­ническим заданием или техническим предложением, там же определяются объем и состав работ.

Эскизный проект состоит из графической части и поясни­тельной записки.

Первая часть содержит принципиальные конструктивные решения, дающие представление об изделии и принципе его работы, а также данные, определяющие назначение, основ­ные параметры и габаритные размеры. Таким образом, она дает конструктивное оформление будущей конструкции изде­лия, включая чертежи общего вида, функциональные блоки, входные и выходные электрические данные всех узлов (бло­ков), составляющих общую блок-схему. На этой стадии раз­рабатывается документация для изготовления макетов, осу­ществляется их изготовление и испытания, после чего коррек­тируется конструкторская документация.

Вторая часть эскизного проекта содержит расчет основных параметров конструкции, описание эксплуатационных особен­ностей и примерный график работ по технической подготовке производства.

В состав задач эскизного проекта входит и разработка различ­ных руководящих указаний по обеспечению на последующих ста­диях технологичности, надежности, стандартизации и унифика­ции, а также составление ведомости спецификаций материалов и комплектующих изделий на опытные образцы для последующей передачи их в службу материально-технического обеспечения. Макет изделия позволяет добиться удачной компоновки отдель­ных частей, найти более правильные эстетические и эргономичес­кие решения и тем самым ускорить разработку конструкторской документации на последующих стадиях системы СОНТ.

Эскизный проект проходит те же стадии согласования и утверждения, что и техническое задание.

Технический проект разрабатывается на основе утвержден­ного эскизного проекта и предусматривает выполнение гра­фической и расчетной частей, а также уточнения технико-эко­номических показателей создаваемого изделия. Он состоит из совокупности конструкторских документов, содержащих окончательные технические решения, которые дают полное представление об устройстве разрабатываемого изделия и ис­ходные данные для разработки рабочей документации.

В графической части технического проекта приводятся чер­тежи общего вида проектируемого изделия, узлов в сборке и основных деталей. Чертежи обязательно согласовываются с технологами.

В пояснительной записке содержатся описание и расчет параметров основных сборочных единиц и базовых деталей изделия, описание принципов его работы, обоснование выбо­ра материалов и видов защитных покрытий, описание всех схем и окончательные технико-экономические расчеты. На этой стадии при разработке вариантов изделий изготавлива­ется и испытывается опытный образец.

Технический проект проходит те же стадии согласования и утверждения, что и техническое задание.