Детали машин / Konspekty_lekcii / Конспекты лекций / Лекция 3. Основные требования к деталям

Лекция № 3

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ДЕТАЛЯМ, УЗЛАМ И МЕХАНИЗМАМ

План лекции

1.Факторы, влияющие на работоспособность деталей.

2.Основные требования к деталям, узлам и механизмам.

3.Основные критерии работоспособности деталей машин.

1. Факторы, влияющие на работоспособность деталей

Условия эксплуатации. Требования к объектам определяются условиями их эксплуатации и обслуживания. В первую очередь следует выделить две основные группы воздействия на технические объекты: механические и климатические. Кроме них возможны и другие воздействия: химические, биологические, радиационные, магнитные, электрические, электромагнитные и др. Для надежного функционирования механизмов, узлов и деталей необходимо обеспечить стойкость изделий к механическим, климатическим и другим воздействиям.

Механические воздействия, связанные с эксплуатацией и транспортировкой, включают в себя нагрузки, вибрации, удары. Инерционные нагрузки при движении могут достигать больших величин, например у ЛА нескольких десятков g, и должны учитываться в расчетах на прочность. Стой-

кость к вибрации определяется вибропрочностъю и виброустойчивостъю.

Вибропрочностъ характеризуется способностью конструкции противостоять разрушающему действию вибрации в заданных диапазонах частот и оставаться работоспособной после длительного действия вибрации. Виброустройчивость характеризуется сохранением работоспособности конструкции в условиях вибрационных нагрузок. Так, при транспортировке и работе механизмов его элементы испытывают вибрацию, которая опасна тем, что при ее воздействии происходит отвинчивание резьбовых деталей агрегатов и механических узлов. Отвинчивание устраняется с помощью обязательного стопорения, применяемого на ЛА, автомобилях, судах и других изделиях.

Климатические воздействия характеризуются следующими компонентами: температурой, давлением, влажностью, грязью и пылью. Требо-

вание стойкости к изменению температур определяется необходимо-

стью сохранения механических характеристик материала и вязкости жидкостей. В процессе эксплуатации на машины и их элементы могут действовать высокие и низкие температуры. Низкие температуры приводят к хладоломкости. Материал и сварные швы с понижением температуры становятся хрупкими и легко разрушаются при циклическом и ударном нагружении. Пригодность материала по этому показателю определяется ударной вязкостью KCUотношением работы разрушения надрезанного образца к площади попереч-

1

ного сечения в месте надреза. Диапазон температур внешней среды при эксплуатации технических объектов в России обычно не превышает +60... 60 °С. Следует отметить, что в случае ударного или циклического нагружения некоторые металлы нельзя использовать даже при установленной отрицательной температуре 60 °С. Это относится, например, к зубчатым колесам из стали 45, ударная вязкость которой снижается с 50 Дж/см2 при t = 20 °С до 10...20 Дж/см2 при t = 60 °С. В промышленности для изготовления деталей машин обычно применяются конструкционные стали с KCU > 5...10 Дж/см2 и крайне редко материалы с KCU < 2 Дж/см2. При высоких прочностных требованиях к конструкции металлические детали, подвергающиеся ударному нагружению (например, элементы передач), должны иметь в диапазоне рабочих температур ударную вязкость не ниже 50...100 Дж/см2. Диапазон эксплуатационных температур следует учитывать и при подборе смазочных и неметаллических материалов. Так, смазочный материал при низких температурах становится более вязким или загустевает. Например, ЦИАТИМ-221 загустевает при t = 60 °С, а ВНИИНП-284 при t = 110 °С. Загустение смазочного материала нарушает нормальную работу механизмов, поэтому они не должны использоваться при температурах, ниже указанных в технических условиях. Резиновые шайбы, используемые в мягких амортизаторах, при понижении температуры вначале резко увеличивают жесткость, а при t = 60 °С становятся хрупкими. Пластмассы при сильном охлаждении могут терять эластичность и также становятся хрупкими. Для полимерных материалов опасны резкие изменения температуры, приводящие к их разрушению. Детали ряда машин в процессе эксплуатации подвергаются интенсивному нагреву. В результате понижается прочность деталей (уменьшается предел прочности и предел выносливости) и может появиться ползучесть. Она характеризуется непрерывной пластической деформацией при длительном нагружении. Теплостойкость таких элементов обеспечивается правильным подбором материалов, а при необходимости и путем специальных исследований и последующих мероприятий. Изменение температуры также приводит к изменению зазоров в подвижных соединениях, что связано с различными коэффициентами линейного расширения различных материалов элементов или с неравномерным нагревом.

На работу машин также может оказывать влияние давление. Элементы машин, работающие в вакууме, должны удовлетворять требованию стойкости к пониженному давлению. Низкое давление сильно влияет в основном на неметаллические материалы, когда в вакууме происходит сублимация их компонентов. Наиболее заметно она проявляется у полимерных материалов, резин, смазочных материалов и антифрикционных покрытий, что необходимо учитывать при конструировании узлов с долговременным пребыванием в вакууме. Например, в космическом вакууме нужно использовать специальную резину ИРП-1118. В вакууме на трущихся поверхностях деталей отсутствуют окисные пленки, поэтому возрастет коэффициент трения. Возникает опас-

2

ность схватывания трущихся поверхностей, что вызывает их повреждения заедание и задиры у зубчатых колес и подшипников скольжения. В ряде элементов конструкций (баках, трубопроводах) может иметь место высокое давление, которое также необходимо учитывать при проведении расчетов на прочность.

Влажность атмосферы вызывает коррозию металлов, разбухание и потерю прочности ряда неметаллов. Для устранения коррозии металлов следует проводить специальные мероприятия. Существуют следующие способы повышения коррозийной стойкости металлов:

-применение антикоррозийных материалов (например, не ржавеющей стали 12Х18Н10Т);

-применение антикоррозийных покрытий хромирование, анодировние, оксидирование, грунтовка, окраска и др.;

-использование специальной обработки для получения менее шероховатой поверхности (шлифование, полирование), не устраняющей коррозию, но замедляющей ее развитие;

-покрытие поверхностей защитными смазками, что используется для деталей, расположенных внутри корпуса, при работе механизмов, а также при консервации деталей и узлов;

-заключение деталей в герметизированные объемы, исключающие попадание влаги внутрь.

Особенно опасно сочетание влажности и высоких температур, наблюдающееся в приморских районах, в тропиках, где резко активизируются процессы коррозии.

Загрязнение деталей передач пылью, песком и другими твердыми частицами приводят к существенному увеличению износа трущихся частей. Для устранения абразивного износа передачи помещаются внутри корпуса, что исключает попадание твердых частиц внутрь. Износостойкость существенно влияет на долговечность работы механизмов. Износ является главной причиной выхода из строя машин (до 90%). Ежегодные расходы на обслуживание и восстановительный ремонт некоторых действующих машин превышают стоимость годового выпуска новых машин. Износ передач обычно приводит к потере точности и увеличению динамических нагрузок, а иногда и к поломкам, особенно при длительной эксплуатации, если не производится техническое обслуживание и ремонт.

К другим факторам относится стойкость к химическому и биологиче-

скому воздействию. Стойкость к химическому воздействию должны иметь детали, работающие в агрессивных средах. Трубопроводы в этом случае должны изготавливаться из материалов, не взаимодействующих с наполняющими их жидкостями. Например, азотная кислота разъедает трубы из обычной стали и не разрушает нержавеющую сталь 12Х18Н10Т. Стойкость

кбиологическому воздействию определяется тем, что некоторые насекомые и грызуны поедают элементы изделий из органических и изоляционных материалов. Возможно также появление плесени, которая вызывает коррозию

3

металлов и разложение неметаллов.

2. Основные требования к деталям, узлам и механизмам

Одним из важнейших показателей, определяющих спрос на проектируемый объект, является его качество. Обеспечение необходимого качества возможно при удовлетворении эксплуатационных, производственнотехнологических, экономических и эргономических требований, предъявляемых к деталям, узлам и механизмам.

К эксплуатационным требованиям относятся требования рабо-

тоспособности, технического обслуживания и ремонта. Работоспособностьспособность изделия выполнять заданные функции с параметрами, установленными в техническом задании (ТЗ). Техническое обслуживание этап эксплуатации, направленный на поддержание надежности и готовности технических объектов и их элементов к штатной эксплуатации. В этот этап входят работы по профилактике, контролю, регулированию, смазке и др. Ремонт это совокупность технических мероприятий, осуществляемых с целью восстановления работоспособности устройств.

Рассмотрим подробнее эксплуатационные требования. Они включают в себя показатели назначения (функциональные показатели), надежность, массу, габариты, КПД, точность и др.

Показатели назначения входят в техническое задание, в кото-

ром указывается назначение объекта, его состав, структура, особенности и ряд технико экономических показателей:

-технические характеристики вид и скорость движения, производительность, надежность, масса, габариты, КПД, точность;

-энергетические характеристики источники питания, мощность,

КПД;

- устойчивость к внешним воздействиям, влияющим на ра боту объекта;

- стоимость и другие показатели, зависящие от назначения объекта проектирования.

Отметим одно из противоречий, возникающих в группе эксплуатационных требований: для обеспечения требований технического обслуживания и ремонта необходимо предусмотреть в конструкции подходы к ряду агрегатов и узлов, что реализуется обычно введением люков, откидных крышек и т. д. Это приводит к увеличению массы конструкции, что нежелательно для технических характеристик изделий.

Важнейшей характеристикой механизма (объекта) является его надежность. Надежность свойство изделий выполнять в течение заданного времени или заданной наработки свои функции и сохранять в заданных пределах эксплуатационные показатели. Надежность характеризуется безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью. Безотказность свойство изделия сохранять работоспособность в течение некоторой наработ-

4

ки без вынужденных перерывов. Долговечность свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта. Ремонтопригодность приспособленность изделия к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонта. Сохраняемость свойство изделия сохранять обусловленные эксплуатационные показатели в течение срока хранения, установленного в технической документации, а также после срока хранения и транспортирования. Свойство безотказности существенно для изделий, выход из строя которых вызывает катастрофические последствия, например отказ устройств летательного аппарата, может привести к его гибели. Отметим, что у объектов, эксплуатирующихся на земле, после отказа возможно восстановление работоспособности. В наиболее ответственных системах для повышения надежности используется резервирование. Под резервированием понимают метод повышения надежности путем введения резервных и дублирующих частей, являющихся избыточными по отношению к минимальной, функциональной структуре изделия, необходимой и достаточной для выполнения заданных функций. Например, при низкой надежности электродвигателя для повышения надежности электропривода в конструкцию вводят второй (резервный) двигатель, а на КА для открытия активных замков дублирование осуществляется трижды. Для повышения надежности возможно использование предохранительных устройств, например предохранительных муфт, ограничивающих вращающий момент, передаваемый на последующие звенья передачи.

Массогабаритные показатели важны при создании технических объектов. Конструктор должен обеспечить требования ТЗ по массе. Основой минимальных массы и габаритов механизма является правильный выбор материала, рациональной конструктивно-силовой схемы, формы и размеров деталей, применение композитов и т. д. При выборе материала целесообразно использовать металлы с высокой удельной прочностью, неметаллы и композиты. При выборе формы детали балочного типа необходимо выбрать рациональное сечение и обеспечить равнопрочность. При разработке любой конструкции актуален вопрос материалоемкости, так как стоимость материала в общей стоимости изделия доходит до 80% в машиностроении, а в автомобильной промышленности до 70%.

Важным параметром любого механизма является КПД. Одной из важнейших задач конструктора является обеспечение максимального КПД передачи. Повысить КПД можно путем перехода к более совершенным типам передач, у которых меньше потери на трение, например заменой передачи винтгайка скольжения на шариковинтовую передачу (ШВП) или роликовинтовую передачу (РВП). При использовании подшипников скольжения нужно применять такие материалы для вала и подшипника, чтобы они образовывали антифрикционную пару, определяемую низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью при правильном выборе смазочного материала. При высоком КПД снижается расход энергии. В механизмах, узлах и деталях

5

должна быть обеспечена необходимая точность. Снижение точности ухудшает эксплуатационные характеристики изделия, а завышение увеличивает стоимость конструкции.

Выполнение производственно технологических требований

обеспечивает технологичность конструкции. Технологичной называют такую конструкцию, для создания которой требуются наименьшие затраты времени, труда и средств, при заданном объеме выпуска в условиях данного производства. Например, в серийном и массовом производствах, более технологична та конструкция, в процессе изготовления деталей которой удается получить форму заготовки, максимально приближенную к конечной форме детали.

Рассмотрим примеры взаимодействия между эксплуатационными и производственно-технологическими требованиями. При повышении точности обработки и уменьшении шероховатости контактирующих поверхностей в подшипнике скольжения увеличивается его долговечность, т. е. улучшаются эксплуатационные показатели, однако повышаются затраты труда и средств, т. е. ухудшаются производственно-технологические и экономические показатели. Из этого противоречия следует, что не рекомендуется необоснованно завышать точность обработки поверхностей. Использование в конструкции стандартных деталей упрощает ее ремонт и позволяет автоматизировать изготовление таких деталей. Следовательно, улучшаются как эксплуатационные, так и производственно-технологические показатели, т. е. они, взаимодействуют, а не противоречат один другому.

Экономические требования связаны с достижением минимальной стоимости изготовления и эксплуатации детали, узла и др. Уменьшение себестоимости, как правило, связано со снижением затрат живого труда, материалов, энергии на изготовление и эксплуатацию, с совершенствованием технологии и т. д.

Эргономические требования определяются безопасностью и комфортом для человека, эксплуатирующего объект, снижением или исключением вредных воздействий на человека и окружающую среду, повышением положительных эмоций.

Важно отметить, что в соответствии с ТЗ в первую очередь должны быть обеспечены эксплуатационные требования. Проектировщик большое внимание должен обращать не только на производство, но и на сбыт создаваемой продукции, т. е. технические и экономические характеристики конструкции должны быть увязаны с требованиями потребителя.

При проектировании привода или узла должны учитываться все перечисленные требования, а те из них, по которым осуществляется оценка объекта проектирования, становятся показателями качества критериями, например критерий обеспечения минимальной массы конструкции или минимальной стоимости. Часто оптимизация системы осуществляется упрощенно и сводится к выбору наилучшего варианта конструкции, поэтому эффективнее ее проводить на основе математической теории оптимизации. В большинстве случаев задачи проектирования являются многокритериальными. При оп-

6

тимизации полное удовлетворение всех требований часто нецелесообразно, поэтому ищут компромиссное решение, например, используя метод Парето.

Работоспособность и надежность детали (элемента) обеспечива-

ется за счет выполнения следующих основных требований: прочности, жесткости и стойкости к различным воздействиям (износу, вибрации, температуре и др.). Выполнение требований прочности при статическом, циклическом и ударном нагружениях должно исключить возможность разрушения, а также возникновения недопустимых остаточных и упругих деформаций. Требования жесткости к детали или контактной поверхности сводятся к ограничению возникающих под действием нагрузок деформаций, нарушающих работоспособность изделия, к недопустимости потери общей устойчивости для деталей балочного типа, подвергающихся сжатию, и местной у тонкостенных элементов. Должна быть обеспечена износостойкость детали, которая существенно влияет на долговечность работы механизма. Необходима стойкость к вибрации, определяемая вибропрочностью детали. Достаточно, чтобы для каждой детали выполнялись не все перечисленные требования, а лишь те, которые связаны с ее эксплуатацией. Например, пружина редуктора гидросистемы смазки машины должна удовлетворять требованиям прочности, жесткости, стойкости к изменению температуры и химическому воздействию среды, где она находится.

Для другой детали металлической гайки, нагруженной силой, требования сводятся лишь к обеспечению прочности в заданном интервале температур, а при контакте с влагой защите от коррозии. При выполнении сформулированных требований деталь должна иметь минимальную массу и габариты, обладать необходимой точностью. Также необходимо выполнять и другие требования обеспечить технологичность, безопасность изготовления и низкую стоимость детали.

3. Основные критерии работоспособности деталей машин

Прочность является основным критерием работоспособности, т. е. задачей обеспечения необходимой прочности является определение размеров

иформ деталей машин, исключающих возможность возникновения недопустимо большой остаточной деформации, преждевременных поломок и поверхностных разрушений.

Большая часть деталей машин подвержена в работе воздействию целого ряда нагрузок, обусловливающих возникновение сложного напряженного состояния. Для проверки прочности деталей при этом состоянии, располагая механическими характеристиками материалов лишь при простом напряженном состоянии, необходимо пользоваться теориями прочности, которые устанавливают связь между прочностью материала и значениями (величиной

изнаком) главных напряжений. В основу этих теорий положено, что два напряженных состояния (сложное и простое) равнопрочны, если при пропор-

7

циональном увеличении напряжений оба они достигают опасного предела прочности в один и тот же момент.

Практика эксплуатации машин показала, что большинство поломок деталей обусловлено усталостью (выносливостью) металла, т. е. постепенным развитием микротрещин. Существенное значение для направления развития усталостной трещины имеет характер напряженного состояния материала.

Пределом выносливости (усталости) называют наибольшие максималь-

ные напряжения цикла, при котором материал не разрушается при весьма большом числе переменных напряжений.

Для различных материалов установлено число циклов, выдержав которое образец не разрушится и при дальнейшем испытании. Это число циклов называется базовым.

Современные методы оценки прочности деталей машин базируются на сравнении нормальных σ или касательных напряжений τ с допускаемыми [σ] и [τ]. Под допускаемыми напряжениями понимают максимальные значения рабочих напряжений, которые могут быть допущены в опасном сечении при условии обеспечения необходимой прочности и долговечности детали во время ее эксплуатации. Следовательно, условие прочности можно выразить формулами

σ FA σ

или

τ FA τ ,

где F – действующая нагрузка, Н; A – площадь сечения детали, мм 2 .

Для пластичных материалов в качестве предельного напряжения берется предел текучести и запас прочности S:

для хрупких материалов в качестве предельного напряжения берется предел прочности и запас прочности:

Из вышеизложенного следует, что запасом прочности S детали называют отношение предельного напряжения к допускаемому напряжению.

Одним из наиболее общих условий конструирования машин является условие равнопрочности. Очевидно, что нет необходимости конструировать отдельные элементы машин с излишними запасами прочности, которые все равно не могут быть реализованы в связи с выходом конструкции из строя из-за разрушения или повреждения других элементов.

8

Повышение несущей способности и увеличение сроков службы детали осуществляют путем использования конструктивных, технологических, металлургических и эксплуатационных мероприятий. Для повышения прочности необходимо увеличить прочностные характеристики материала, уменьшить вредное воздействие динамических нагрузок (например, при 3000 об/мин смещение центра тяжести ротора на 0,1 мм создает нагрузки, равные весу ротора), уменьшить концентрацию напряжений в опасных сечениях, сконструировать детали с возможно более равномерным распределением напряжений.

Вес деталей, работающих на растяжение-сжатие, обратно пропорционален допускаемому напряжению, при изгибе-кручении – допускаемому напряжению в степени 2/3 и т. д. Таким образом, повышение допускаемых напряжений ведет к уменьшению веса деталей, к экономии материалов. Для деталей, работающих на изгиб-кручение, применение высокопрочных материалов неоправданно. При действии переменных нагрузок нужно учитывать, что допускаемые напряжения растут гораздо медленнее, чем предел прочности,

илучше использовать сталь со средними характеристиками и поверхностным упрочнением.

Упрочнение деталей обусловлено главным образом возникновением сжимающих напряжений в поверхностном слое вследствие образования структур большего удельного объема, чем структура основного металла. В этом случае наиболее эффективна поверхностная закалка, цианирование

иазотирование, которые практически полностью устраняют влияние концентратов напряжений.

Вопросы к лекции № 3

1.Перечислите, каким воздействиям подвергаются объекты (машины, аппараты и пр.) при эксплуатации или транспортировке.

2.Что такое вибропрочность и виброустойчивость?

3.Каким образом при проектировании объекта учитывается требование стойкости к изменению температур?

4.Каким образом при проектировании объекта учитывается требование стойкости к пониженному давлению?

5.Какие меры против коррозии необходимо предусмотреть при выборе материалов при проектировании объекта?

6.Как обеспечить износостойкость трущихся поверхностей деталей?

7.Как обеспечить стойкость деталей (объектов) к химическому воздействию?

8.Назовите основной критерий работоспособности детали.

9.Что называется пределом выносливости (усталости) детали?

10.Что такое допускаемые напряжения?

11. Что называется запасом прочности детали?

9