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

AN — запас долговечности, который имеется у детали с большой долговечностью (тормозной бара­ бан, цилиндр блока и т. д.); AN может быть равно нулю (например, у наконечников руле­ вых тяг).

Так как показатели степени т и п близки к единице, эквива­ лентная нагрузка Рои определяется как среднее арифметическое всех нагрузок.

На износ сопряжений в большей степени влияют твердость и структура сопрягающихся поверхностей, а также специальные покрытия, поэтому необходимо оценивать долговечность с уче­ том состояния поверхности, для чего вводить в расчеты соответ­ ствующие коэффициенты.

Во всех изнашиваемых соединениях давление является ос­ новным и единственным фактором, с увеличением которого из­ нос возрастает (в степени 0,6—0,8); это основной показатель, определяющий нагруженность соединения. При прочих равных условиях соотношение величины рабочей поверхности и сил, на­ гружающих соединение, будет главным критерием долговечно­ сти соединения. Если давление не позволяет определить абсо­ лютную долговечность сопряжения, то во всяком случае оно является величиной, примерно пропорциональной долговечности (при сравнении аналогичных конструкций).

Интенсивности изнашивания J каждой детали соединения обычно неодинаковы, различны и запасы конструкций на износ

Если известны средняя интенсивность износа / ср конкретных деталей и предельно допустимый их износ Апр, то оптимальный срок службы Т0 деталей или сопряжений можно представить формулой

Установив размеры детали из условий, отвечающих заданно­ му сроку службы, необходимо проверить их исходя из требова­ ний прочности. Наиболее сложной задачей при этом является установление для конкретных деталей величины предельного износа. Эта задача только в редких случаях, например вал — подшипник, может быть решена теоретическим путем. Обычно для ее решения необходимо проводить систематические наблю­ дения и измерения деталей в процессе эксплуатации и на осно­ вании этих данных устанавливать предельные износы.

Величина предельного износа по-разному сказывается на работе различных деталей, так как она связана с функциональ­ ным назначением детали и теми изменениями в ее работе, кото­ рые происходят в результете изнашивания. Достижение де­ талью предельного состояния по износу может характеризо­ ваться следующими признаками: значительным снижением прочности; ухудшением служебных свойств детали, сборочной единицы или машины; недопустимым снижением долговечности, изменением характера посадок и сопряжений, изменением кон­ структивных размеров детали. Например, в результате изнаши­ вания изменяются линейные размеры и конструктивная форма. Для многих деталей такое изменение не сказывается на их про­ чности, но оказывает значительное влияние на производитель­ ность машины и другие служебные свойства. У зубчатых колес открытых передач достижение предельного износа зубьев колес будет характеризоваться изменением боковых и радиальных зазоров в зацеплении сверх допустимых значений, возникнове­ нием шума, ударов и т. д.

Как указано выше, значения величины предельного износа для конкретных деталей устанавливают на основании экспери­ ментального исследования изнашивания этих деталей. Среднее давление и скорость на поверхности трения определяют в каж­ дом отдельном случае как расчетом, так и опытным путем. Дав­ ление определяют из кинематических соотношений и из условий нагружения деталей.

На скорость изнашивания деталей большое влияние оказы­ вают условия эксплуатации, характер абразивной среды, мате­ риал трущихся поверхностей. Определяя скорость изнашивания для заданных условий эксплуатации и для деталей, изготовлен­ ных из определенных материалов, можно получить исходную зависимость.

Вводя далее коэффициенты, учитывающие изменение усло­ вий эксплуатации и материалы трущихся поверхностей, можно, очевидно, исходную зависимость применять для любых условий. Например, для деталей рабочих органов строительно-дорожных машин такими коэффициентами могут служить коэффициент абразивности Ка, учитывающий относительную абразивную (из­ нашивающую) особенность грунта (определяется опытным пу­ тем), и коэффициент относительной износостойкости материа­

ла детали Кпм- Значения коэффициента абразивности грунтов Ка (табл. 11)

Л'им материала трущихся поверхностей деталей определяют как произведение коэффициента относительной износостойкости /См основного материала детали (в случаях, когда рабочую поверх­ ность детали направляют износостойкими наплавками) и коэф­ фициента относительной износостойкости Кп различных напла­

Расчетное значение скорости износа деталей определяется по формуле

, Ао^ср^срАа

где Ко — коэффициент пропорциональности;

Pop — среднее давление на трущиеся поверхности;

пСр — средняя скорость перемещения трущихся поверхнос­ тей.

Значения средней интенсивности износа / ср при среднем дав-

ясь требуемой долговечностью То, определяем один из парамет­ ров детали, лимитирующий ее долговечность. При расчете на долговечность пар трения (втулок, катков, зубчатых колес от­

крытых передач) следует исходить из предположения, что ве­ личина износа прямо пропорциональна удельной работе сил трения на поверхности трения.

В качестве примера рассмотрим методику расчета долговеч­ ности (износостойкости) ножей бульдозеров, скреперов и грей­ деров с использованием приведенных выше зависимостей [1 1 ]. Величина предельно допустимого износа ДПр определяется раз­ мерами вылета режущей кромки ножей и конструкции отвала. Проведенные В. Г. Колесовым исследования дали возможность

Рис. 34. Схема для расчета долго­ вечности ножей бульдозера:

1 — нож; 2 — рама отвала

вывести аналитическую зависимость для определения величины предельно допустимого износа ножей бульдозера (рис. 34):

^пр = I—h у

где I — вылет режущей кромки ножа за раму отвала в мм; h — допустимая величина износа ножа в мм.

Среднюю интенсивность изнашивания можно определить по

За эталон принимаем ножи, изготовленные из стали Ст5 с наплавкой твердым сплавом. Выражение для определения /эт надо написать в таком виде, чтобы в него входили парамет­ ры, известные конструктору при проектировании машины.

Среднее давление при работе ножей в эталонном грунте оп­ ределится из выражения

Для определения величины вылета / режущей кромки ножа из условий долговечности подставим в исходную формулу для определения срока службы деталей значение / ср из последней формулы. Тогда

В эту формулу входят параметры, определяющие размеры и форму ножей отвалов. Анализ приведенной формулы показыва­ ет, что долговечность ножей повышается с увеличением величи­ ны I, площади контакта задней грани ножей с грунтом F = ВА,

веденой выше формуле или установленную на основании стати­ стической обработки данных непосредственных измерений ве­ личины износов ножей в условиях эксплуатации, можно опреде­ лить необходимый вылет ножа, отвечающий заданному сроку

Эксплуатационные требования к точности

ифункциональной взаимозаменяемости деталей

имеханизмов машин

Надежность машин и их экономичность в значительной сте­ пени зависят от точности и функциональной взаимозаменяемо­ сти деталей и механизмов. Функциональной взаимозаменяемо­ стью называется взаимозаменяемость, при которой в заданных пределах обеспечиваются экономически оптимальные эксплуа­ тационные показатели изделий путем установления связей этих показателей с функциональными параметрами и определенной точностью, исходя из допустимых отклонений эксплуатационных показателей изделий. Функциональными называются такие па­ раметры, которые влияют на эксплуатационные показатели ра­ боты изделия, узла или детали. В зависимости от принципа дей­

ствия изделий д-р техн. наук проф. А. И. Якушев различает сле­ дующие типовые функциональные параметры [18]:

1 ) геометрические: линейные размеры (диаметры, длины, высоты и т. д.), угловые размеры, формы поверхности, шерохо­ ватость поверхности (включая спектры неровностей поверхнос­ ти), волнистость поверхности, положение поверхностей;

2 ) механические и физико-механические: механические свой­ ства поверхностного слоя металла деталей (включая наклеп, ос­ таточные напряжения, микротвердость и т. д.), упругие и плас­ тические свойства, прочность (при кратковременном и длитель­ ном нагружении), выносливость при переменных нагрузках, линейное и объемное тепловое расширение, плотность, вибро­ стойкость, стойкость против термоциклпческих воздействий, теплопроводность, свойства рабочих жидкостей и смазка, свой­ ства рабочих газов и воздуха и др.;

3)электрофизические: напряжение, ток, плотность тока, ем­ кость, частота контура, магнитные свойства (магнитная прони­ цаемость, напряженность поля, индукция), характеристики ди­ электриков и проводников тока (диэлектрическая проницае­ мость, удельное сопротивление), характеристики электрова­ куумных систем и др.;

4)световые и акустические: оптические константы элемен­ тов, деталей п частей оптических систем, световой поток, осве­ щенность, яркость, уровень интенсивности и уровень громкости, частота звуковых колебаний и др.;

5)химические и физические: характеристики коррозии ме­ таллов и материалов (растворимость, потеря размеров, веса);

влагопоглощаемость и старение синтетических материалов и др. Связи перечисленных параметров с эксплуатационными по­ казателями могут быть функциональными или статистическими. Это относится также к термину «функциональная взаимозаме­

няемость».

Функциональная взаимозаменяемость должна осуществ­ ляться при конструировании машин, приборов и других изде­ лий, их узлов и деталей, изготовлении заготовок, обработке, комплектовке, контроле и измерении деталей, узлов, систем, входных и выходных параметров изделий в процессе производ­ ства и эксплуатации. Соблюдение принципа функциональной взаимозаменяемости при конструировании, изготовлении и конт­ роле даст возможность получить одинаково высокие и стабиль­ ные эксплуатационные показатели у всех однотипных машин, приборов и других изделий.

Главной отличительной чертой проблемы функциональной взаимозаменяемости является повышение качества и удешевле­ ние машин и приборов с помощью управления производствен­ ной точностью и отклонениями эксплуатационных показателей. Эта проблема тесно примыкает к проблеме долговечности и на­ дежности машин.

Функциональная взаимозаменяемость может осуществлять­ ся для деталей и элементов изделий: для сборочных единиц, блоков и частей изделий и для изделия в целом. Функциональ­ ную взаимозаменяемость необходимо обеспечивать, начиная с исходного сырья, материала заготовок и полуфабрикатов, взаи­ мозаменяемость которых означает однородность химического состава, механических, физических и химических свойств, а так­ же выполнение требований к точности размеров и формы. Для заготовок, кроме того, большое значение имеет обеспечение взаимозаменяемости и равномерности припуска, в том числе по размерам межоперационных посадочных поверхностей, пред­ назначенных для фиксации положения заготовок в приспособле­ нии в процессе обработки.

Взаимозаменяемость исходных материалов особенно важна для точного машиностроения, так как характеристика и посто­ янство их физических и химических свойств определяют эксплу­ атационные показатели. Для получения оптимального значения и постоянства физических свойств исходных материалов жела­ тельно осуществлять прямой контроль соответствующих свойств вместо применяемого метода косвенного контроля химического состава.

Проф. А. И. Якушев рекомендует следующий порядок прове­ дения работы по обеспечению функциональной взаимозаменяе­ мости:

1. Уточнение номинальных значений эксплуатационных по­ казателей машины или другого исследуемого изделия; опреде­ ление предельных значений эксплуатационных показателей из­ делий исходя из их назначения, требований к надежности и долговечности. Значение эксплуатационных показателей изде­ лий в начале и в конце срока службы, т. е. допуски на эти пока­ затели, могут быть установлены на основе прочностного, тепло­ вого, гидродинамического и других расчетов, учитывающих из­ нос и изменение функциональных параметров в процессе дли­ тельной эксплуатации изделий; они могут быть установлены также путем обобщения результатов эксплуатации и проведе­ ния экспериментальных испытаний моделей, макетов или опыт­ ных образцов изделий.

2. Выявление функциональных параметров, определяющих значения эксплуатационных показателей изделий, а также ус­ тановление и исследование связей между эксплуатационными показателями работы изделий и погрешностями функциональных параметров. Зная эти связи и допуски на эксплуатационные по­ казатели изделий, можно определить допускаемые отклонения функциональных параметров и рассчитать посадки для ответст­ венных соединений. Погрешности функциональных параметров непосредственно действуют на эксплуатационные показатели изделия или его частей (например, изменение величины зазора между поршнем и цилиндром двигателей изменяет их мощность,

погрешность угла конуса в конических сопряжениях, уменьша­ ет передаваемый ими момент трения и т. и.). Кроме того, их действие проявляется косвенно или в связи с другими парамет­ рами. Например, упругие характеристики пружин и мембран зависят не только от физико-механических свойств материала проволоки или ленты, но и от колебаний диаметра проволок, толщины мембраны и т. д.

Для более обоснованного назначения допусков на взаимо­ связанные размеры углов и сложных деталей необходимо про­ водить размерный анализ и решение размерных цепей. При этом надо учитывать возможные изменения в работающей ма­ шине размеров и формы деталей, а также изменение зазоров и натягов вследствие термоциклических действий, силовой дефор­ мации, износа и других факторов.

3.Выявление номенклатуры деталей и сборочных единиц, долговечность и надежность которых определяют эти показате­ ли качества машин, приборов или других изделий в целом. Ус­ тановление для этих деталей и сборочных единиц таких конст­ руктивных форм и такой технологии изготовления и сборки,при которых обеспечиваются заданная точность функциональных параметров и оптимальные в технико-экономическом отношении эксплуатационные показатели изделий.

4.Разработка надежных методов и средств контроля дета­ лей, сборочных единиц и изделий в целом (в том числе для конт­ роля функциональных параметров и эксплуатационных показа­ телей машин, приборов или других изделий).

5.Опытная проверка разработанных мероприятий по обес­ печению функциональной взаимозаменяемости, включение их в техническую документацию, а затем в ГОСТы на машины; при­ боры или другие изделия.

Функциональная взаимозаменяемость основывается на сле­

дующих принципах, общих для геометрических, физических, ме­ ханических и других функциональных параметров [18].

Принцип унификации и стандартизации. Для повышения экономичности производства, повышения качества машин, при­

изделий, увеличивать производительность труда и снижать себе­ стоимость изделий), а также для облегчения внедрения взаимо­ заменяемости проводится унификация, нормализация и стан­ дартизация сопряжений, деталей, сборочных единиц и изделий. Унификация и стандартизация устраняют многообразие типов и типоразмеров деталей, сборочных единиц и изделий одного и того же эксплуатационного назначения путем установления ми­ нимально возможного количества типов и типоразмеров. Стан­ дартизация размерных рядов машин и других изделий, состоя­ щих из наибольшего количества унифицированных и нормализо­

ванных сборочных единиц и деталей, организация взаимозаме­ няемого производства таких изделий дают большой эффект. Еще более благоприятные условия для повышения серийности, спе­ циализации и кооперирования производства создаются тогда, когда взаимозаменяемые стандартные детали, сборочные едини­ цы, агрегаты и механизмы применяются в нескольких отраслях промышленности.

Основой унификации и нормализации являются ряды пред­ почтительных чисел, которые взаимно связаны между собой и обеспечивают одинаковую относительную разницу между любы­ ми смежными числами. При выборе нормальных размеров и других параметров машин и приборов предпочтение нужно от­ давать числам из рядов с более крупной градацией (5-й ряд предпочитать 10-му, 10-й 20-му и т. д.). Допускается применение производных рядов, получаемых из основных отбором каждого второго, третьего или какого-либо другого члена основного ряда. Можно также из основных рядов составлять ряды, которые в различных диапазонах ряда имеют неодинаковые знаменатели прогрессии. Ряды предпочтительных чисел должны применяться при выборе любых номинальных параметров машин и приборов. Только при такой единой закономерности построения размер­ ных параметров машин и приборов можно согласовать между собой размеры других связанных с ними изделий, полуфабрика­ тов и материалов.

Принцип предпочтительности. Обычно стандартизуемые ти­ поразмеры нормальных деталей, системы допусков и посадок и другие параметры предназначены для удовлетворения нужд ряда отраслей промышленности, поэтому такие системы обычно охватывают большие диапазоны величин стандартных парамет­ ров. Это затрудняет и усложняет кооперирование производства

иснижает эффективность специализации заводов. Поэтому при установлении, например, рядов нормальных линейных размеров

ибыли использованы ряды предпочтительных чисел, позволяю­ щие количество номинальных размеров свести к минимуму. Кроме того, в стандартах устанавливается несколько рядов (на­ пример, три) значений стандартизуемых параметров с тем, что­ бы при выборе этих параметров первый ряд предпочитать вто­

ГОСТ 8908—58 на нормальные углы и другие стандарты. В оте­ чественной системе допусков и посадок на гладкие сопряжения установлены два ряда полей допусков для их предпочтительно­ го применения.

Принцип выбора допусков, посадок и классов точности, обе­ спечивающий необходимый запас точности. Известно, что ряды допусков и классы точности строятся по технологическому прин­ ципу. Выбор же допусков и классов точности должен произво­ диться исходя из эксплуатационно-конструктивных требований,