Принципы расчёта деталей машин по основным критериям работоспособности

Задачей проектирования машин является разработка документации, необходимой для их изготовления, монтажа, установки и эксплуатации. При этом к машине предъявляются такие требования, как: прочность, износостойкость, жёсткость, виброустойчивость, теплостойкость, надёжность, технологичность. Эти требования называются критериями работоспособности.

Прочность – способность сопротивляться нагрузкам, не разрушаясь и не имея при этом больших пластических деформаций. Это один из главных критериев. Расчёты на прочность проводят по номинальным допускаемым напряжениям, по допускаемым коэффициентам безопасности и по вероятности безотказной работы.

Расчёт на прочность состоит:

1. Предварительный расчёт (определяются приближённые параметры);

2. Проверочный расчёт (определение прочности в опасных местах).

Условие прочности - ,

где - расчётное напряжение,- допускаемое напряжение.

Одним из наиболее общих требований является условие равнопрочности. Очевидно, что нет необходимости конструировать отдельные элементы с излишними запасами несущей способности, которые не могут быть реализованы в связи с выходом из строя других элементов.

Износостойкость. Износ – процесс постепенного уменьшения размеров детали в результате трения. Следствие износа – уменьшение прочности и увеличение динамических нагрузок, нарушение герметичности и т.д. Виды изнашивания: абразивный износ, износ при заедании, износ при коррозии и т. д.

Оценка сопротивлений по изнашиванию проводится по условию:

;;, гдеP- давление;PV– мощность трения,-рабочая температура; [ ] - допускаемые значения.

В наиболее ответственных деталях машин износостойкость обеспечивается надлежащей смазкой, применением антифрикционных материалов и герметизацией областей трения.

Ж

Рис. 1.1

ёсткость– это способность детали сопротивляться изменению формы под действием сил.

Проверочный расчёт жесткости состоит в определении упругих деформаций:

- удлинения;

- прогиба;

- поворота при изгибе;

- закручивания.

Виброустойчивость. Вибрация вызывает дополнительные переменные напряжения и приводит к усталостному разрушению деталей. Особенно опасными являются резонансные колебания. Условие отсутствия резонанса - несовпадение частот возбуждающих нагрузок с собственными частотами. Это условие достигается конструктивными мероприятиями.

Теплостойкость. Любая работа вызывает тепловыделение. Это приводит к снижению несущей способности детали, снижению защитной способности масляного слоя, разделяющего трущиеся поверхности детали, изменению зазоров в соединениях, изменению свойств поверхностей, снижению точности машин. Температурный расчёт сводится к ограничению температуры .

Надёжность и долговечность деталей машин

Надёжность – свойство выполнять свои функции, сохраняя свои характеристики. Она определяется безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью.

Безотказность – свойства изделий сохранять работоспособность в течение заданной наработки без вынужденных перерывов.

Долговечность – свойства изделий длительно сохранять работоспособность.

Ремонтопригодность – способность изделия к обнаружению и устранению отказов.

Сохраняемость – свойства изделия сохранять эксплуатационные показатели при хранении и транспортировке.

Имеем N₀ изделий для испытаний в течение t часов. Пусть N_от – количество изделий, отказавших при испытании, а N_р – количество работающих изделий, тогда относительное число отказов

Если N₀ велико, то Q(t) – вероятность отказов.

Количественная характеристика надёжности – вероятность безотказной работы P(t):

Если машина состоит из большого числа узлов, соединенных последовательно (рис.1.2), а отказ одного приведёт к отказу машины, то по теореме умножений вероятностей вероятность безотказной работы есть произведение вероятностей безотказной работы отдельных элементов:

Рис.1.2

Пусть система состоит из параллельно соединённых деталей (рис.1.3). Вероятность безотказной работы такой системы можно записать в виде

.

Таким образом, надёжность сложной системы всегда меньше надёжности самого ненадёжного элемента. Чем больше элементов имеет система, тем меньше её надёжность.

Важной характеристикой является интенсивность отказов:

Рис.1.3 ,

где t_ср – средняя наработка на один отказ.

Рис.1.4

Рис. 1.5

В период нормальной эксплуатации машины (область II рис.1.4) отказы от износа (область III) ещё не проявляются и надёжность характеризуется внезапными отказами. Они носят случайный характер и определяются выражением, уменьшаясь с наработкой по экспоненциальному закону (рис.1.5).

Основные пути повышения надёжности машин:

1. Улучшение конструкции изделия.

2. Повышение качества производства.

3. Обоснованное уменьшение напряжённости детали.

4. Правильный выбор системы смазки.

5. Резервирование:

а) постоянно параллельное (рис.1.6);

если

б) резервирование замещением.

Если надёжность переключения 100%, то

Рис.1.6

.

Резервирование применяется тогда, когда исчерпаны все другие средства, существенно повышает надежность системы, но усложняет её.