книги из ГПНТБ / Елизаветин М.А. Повышение надежности машин. Технологические основы повышения надежности машин

деталей в сборочной единице; простоту и удобство сборки кон­ струкции сборочных единиц, доступность к местам монтажа и возможность применения высокопроизводительных методов сборки; минимальную механическую обработку и пригонку по «месту» конструкции сборочных единиц, требующих дополни­ тельной сборки и разборки; функциональную взаимозаменяе­ мость сборочных единиц и входящих в них деталей: легкость и удобство разборки при ремонте сборочных единиц или меха­ низма.

Рис 22. Варианты конструктивного оформления корпусов:

а — нетехнологичная конструкция (недостаточно устойчивая база); б — технологичная кон­ струкция (хорошо развитая установочная база); в — надежная технологическая база отсутствует; г — введена технологическая база в виде бобышки

При анализе качественных показателей форма и размеры де­ талей должны обеспечить получение заготовки прогрессивными способами с наименьшими припусками на механическую обра­

если экономический эффект, получаемый от механической обра­ ботки, превышает затраты на усложнение формы заготовки.

С целью обеспечения возможности механической обработки производительными методами к деталям предъявляются следу­ ющие основные требования: достаточная жесткость деталей и наличие хороших установочных баз и мест крепления для осу­ ществления обработки (рис. 22); возможность групповой обра­ ботки деталей при использовании универсально-наладочной ос­ настки; доступность по всем элементам детали при обработке и измерении (рис. 23); возможность обработки с применением нормализованного инструмента и оснастки; равномерный и по возможности безударный съем материала с обрабатываемых поверхностей; упрощение форм механически обрабатываемых фасонных поверхностей; сокращение количества поверхностей.

подвергающихся механической обработке; максимальное сни­ жение ручных и доделочных работ.

Детали, обрабатываемые на токарных станках, должны иметь форму поверхности соосных тел вращения; соотношение длины и наружного диаметра должно быть таким, чтобы обес­ печить консольную обработку без отжима детали инструментом или обработку с поддержкой продольным суппортом; диаметры отверстий должны уменьшаться со стороны ввода инструмента и т. д. Для деталей, обрабатываемых на протяжных станках,

/1

Рис. 23. Конструктивное оформле­ ние отверстий:

а — с канавкой для выхода шли­ фовального камня; б — с указани­ ем глубины h обработки; в — рас­

следует предусматривать равномерную толщину стенок, доста­ точно прочные и равномерные по толщине сечения и ограничен­ ную длину протягиваемых поверхностей.

Детали, обрабатываемые на многорезцовых станках, долж­ ны иметь равные или кратные длины обрабатываемых поверх­ ностей, убывающие в одну сторону размеры наружных диамет­ ров, формы переходных ступеней между диаметрами, допускаю­ щие обработку проходным резцом, и др.

При обработке деталей на агрегатных станках необходимо обеспечить минимальное расстояние между соседними отверсти­ ями и убывающие (со стороны ввода инструмента) диаметры со­ осных отверстий; торцовые поверхности на входе и выходе инст­ румента должны быть перпендикулярны к оси шпинделя и т. д.

При конструировании детали необходимо правильно выбрать материал, термическую обработку, кроме того, стремиться сни­ жать класс точности и шероховатость поверхности при условии обеспечения нормальной работы детали в механизме при мини­ мальной трудоемкости изготовления. Простановка размеров на чертеже детали с учетом технологических требований должна обеспечить совмещение конструктивных и технологических баз, применение наиболее простого измерительного инструмента, на­ дежность и простоту измерения детали при обработке и при окончательном контроле.

Для обеспечения лучших эксплуатационных показателей в процессе конструирования детали необходимо произвести оцен­

онную стойкость и др.). Для обеспечения рационального про­ цесса производства детали и повышения ее надежности при про­ ектировании необходимо определить пути экономии материала, снижения трудоемкости изготовления, экономии расхода на под­ готовку производства, сокращения сроков подготовки производ­ ства, применения упрочняющей обработки и удобство сборки. Последовательность процесса конструктивно-технологического формирования детали показана на схеме 2.

Схема 2

Унификация деталей должна проводиться но двум направле­ ниям: унификация деталей внутри изделия с целью сокращения количества наименований оригинальных деталей и унификация деталей, сборочных единиц и механизмов данной машины с группой машин, намеченных к параллельному выпуску. Одновременно с унификацией должен широко распространяться принцип создания конструктивного и технологического подобия деталей с целью возможной типизации технологических реше­ ний.

Каждое изделие должно проектироваться с применением ме­ тодов художественного конструирования, которое складывается

Для одного и того же назначения изделия можно сделать де­ таль простой и сложной формы. Чем сложнее форма детали, тем вероятнее появление в ней деформации под влиянием темпера­ турных воздействий. Это в равной мере справедливо для керами­ ческих, пластмассовых и металлических деталей. В деталях сложной формы следует по возможности соблюдать постоянную толщину стенок в любом сечении. Неравные толщины стенок де­ тали и различные утолщения часто приводят к возникновению больших внутренних напряжений, ведущих к короблению и тре­ щинам. У симметричных деталей легче избежать внутренних на­ пряжений, поэтому и деформация их меньше. Рекомендуется избегать резких переходов одно йплоскости конструкции в другую, желательно использовать плавные, мягкие переходы линий.

Конструкции, имеющие плавные переходы плоскостей, легче сохранять в чистоте, в острых переходах всегда скапливается пыль, они труднодоступны для защиты от коррозии с помощью гальванической обработки или окраски. В целях экономии ма­ териалов необходимо применять кинематические цепи с мини­ мальным количеством деталей и уменьшать габаритные разме­ ры корпусных деталей, применять детали с нормально необхо­ димым запасом прочности и жесткости, заменять в отдельных случаях монолитные конструкции сборными, использовать более легкие материалы — полимеры и древопластики вместо черных и в особенности цветных металлов, заменять конструкционные углеродистые стали малолегированными и малолегированные стали высоколегированными и специальными в деталях, работа­ ющих с большими нагрузками, и в трущихся парах; широко при­ менять сварные и штампо-сварные детали и сборочные единицы вместо литых и кованых, широко внедрять в производство эко­ номичные профили проката.

Предложения по технологичности деталей и сборочных единиц должны быть технически обоснованы; новые решения

должны быть проверены в лабораторных условиях па образцах

ина опытных машинах в условиях эксплуатации.

Взависимости от условий нагружения и эксплуатации с целью повышения срока службы к деталям машин могут быть предъявлены конструктивные и технологические требования, ука­ занные на схеме 2, и другие. При анализе технологичности кон­ струкций надо учитывать возможные конструктивные и техноло­ гические концентраторы напряжений, которые могут резко сни­ жать прочность и долговечность машин.

В качестве примера на рис. 24 показана поверхность излома подступичной части вагонной оси вследствие грубой обработки токарным резцом. Поверхность усталостного излома распрост­ раняется в нижней части под углом а > 180°. В верхней части излом имеет следы пластической деформации.

При оценке характера и причин поломок необходимо иметь в виду, что со времени появления первых трещин (которые мож­ но обнаружить визуально или способами дефектоскопии) до окончательного разрушения иногда проходит много времени. На пример, валик из закаленного чугуна при непрерывной работе листового прокатного стана работал несколько недель после по­ явления первой трещины на его шейке. Срок работы детали от появления первых трещин до возможного ее излома определяет­ ся также конструктивными особенностями и степенью интенсив­ ности нагружения детали в работе, например при сменах перио­ дов большой нагруженности периодами малой нагруженности.

Усталостный излом по плоскости наибольших напряжений показан на рис. 25. Трещины возникли у галтели в точке 1 и рас­ пространились вглубь образца. Трещины 2 и 3 начали появлять­ ся и с другой стороны — вследствие уменьшения сечения. В ре­

зультате распространения этих трещин образовалась неровная поверхность излома со ступеньками н террасами.

Причинами поломок деталей многих машин могут быть ошибки конструкторов при оценке влияния на прочность кон­ центраторов напряжений. Например, шпоночные канавки явля­ ются очагом концентрации напряжений. Часто поломка валов начинается с трещин вблизи шпоночных канавок. Имеются дан-

до 75%. Напряжения, вызванные шпоночными канавками, мож­ но уменьшить накатыванием вала роликами дробеструйной об­ работкой.

Резьбовые соединения деталей, подвергаемых переменным нагрузкам, также работают на усталость. Например, разруше­ ние резьбовых соединений колонн пресса от усталости происхо­ дило при креплении колонны разрезной шайбой 1 (рис. 26) или в первых нитках резьбы болта 2 при креплении гайкой. Приме­ нение упругого болта (рис. 27, а) и упругой гайки (рис. 27, б) гарантировало от поломок.

На рис. 28 показан излом в средней части вагонной оси, возникший вследствие вмятины, нанесенной на ось при клей­ мении. В развитии трещины определенную роль сыграла кор­ розии.

После образования поверхностной трещины быстрота ее раз­ вития и распространения зависит от интенсивности напряжения, размера изделия, т. е. длины пути, по которому должна разви­ ваться трещина, а также особенностей материала. В твердом ме­ талле трещина развивается быстрее, чем в мягкой стали. Иног­ да срок работы детали от появления трещины до поломки может

быть весьма большим. Решение вопроса о замене детали, полу­ чившей первую трещину, зависит от степени ответственности де­ тали. Следует учитывать также и характер нагружения детали, величину и длительность периодов напряженных и облегченных нагрузок. Если разрушение происходит вследствие потери уста­ лостной прочности, то повышение статической прочности не все­ гда может снизить предел выносливости. Особенно это относит­ ся к коррозионно-усталостным разрушениям.

Изменение предела выносливости стали различной прочно­ сти при статическом нагружении образцов и разных видах обра­ ботки показано на рис. 29. В клепаных соединениях создаются концентрации напряжений, обусловленные отверстиями для за­ клепок. Влияние на концентрацию напряжений не уменьшается даже тогда, когда в отверстии находится заклепка.

Усталостные трещины могут появляться вследствие прессо­ вой посадки втулки на вал или другую деталь без принятия ка­ ких-либо мер для уменьшения возникающих в этих местах на­ пряжений. Так, при насадке втулки с натягом на гладкий вал его предел выносливости снижается на 45—50%. При этом надо учитывать, что при таких посадках возможно схватывание по­ верхностей и нарушение сплошности контактируемых металлов с образованием при этом мельчайших трещин, что также снижа­ ет предел выносливости.

В алюминиевых или магниевых сплавах схватывание сопро­ вождается появлением тонкого черного порошка окиси. Поэтому при прессовых посадках деталей из алюминиевых или магние­ вых сплавов необходимо тщательно смазывать соприкасающие­ ся поверхности.

Причиной поломки деталей в машинах часто являются виб­ рации, поэтому целесообразно предварительно на моделях, ко­ пирующих реальную деталь и условия ее работы, изучать харак­ тер возникающих при работе вибраций.

Рис. 30. Гармоники вибраций, обусловливающих пиковые нагрузки:

/ — третья гармоника; 2 — вторая гармоника; 3 — основная гармоника; 4 — резуль­ тирующая гармоника

Наиболее резко выражаются пиковые перегрузки при ком­ бинации колебаний, возникающие по разным причинам. Пример комбинации гармоник вибраций, обусловливающих пиковые на­ грузки, дан на рис. 30. Оптико-поляризационные исследования распределения напряжения на участках их концентрации пока­ зали, что одним из эффективных средств уменьшения концент­ рации напряжения является создание небольшой местной кон­ центрации в непосредственной близости от надреза. Несколько видов применения принципа перераспределений напряжений для устранения высокой концентрации напряжений и повыше­

шения: разрушение путем отрыва, которое происходит от нор­ мальных растягивающих напряжений, и разрушение путем сре­ за, происходящее от касательных напряжений независимо от

вида прилагаемых нагрузок. Схематически виды начальной ста­ дии разрушения в зависимости от способа нагружения (по Фридману) указаны в табл. В этой таблице сопоставлены на­ правления наибольших упругих удлинений етах и касательных напряжений тШах с направлением начала излома от отрыва и среза при различных способах нагружения. На основании ана­ лиза причин поломок деталей машин составлена классификация видов изломов по внешним признакам и возможным причинам их возникновения. По виду изломы можно разделить на вязкие

Рис. 33. Внутренние кольцевые канавки, ляющие снизить концентрацию напряжений

и хрупкие. Вязкий излом может возникнуть в результате недоста­ точной конструктивной прочности, плохого качества изготовле­ ния или ремонта детали и перегрузки в процессе эксплуатации. Хрупкий излом, в свою очередь, можно подразделить на устало­ стный излом, излом от действия повторных статических нагру­ зок, от действия однократных нагрузок и на земедленное разру-