Надежность механических систем. Учебно-методическое пособие

2.7.Моделииметодыоценкипрочностнойнадежностиприпроектировании

а) расчет по допускаемым напряжениям в соответствии с условием прочности smax ≤ [s]. Такой расчет обычно используется в качествепредварительногодляопределенияопасныхсеченийивозможен только в случае, если разработана система допускаемых напряжений [s];

б) расчет по запасам прочности, который в инженерной практике получил наибольшее распространение:

где S – запас прочности; sразр – минимальное значение разрушающего напряжения (предела прочности sв, предела выносливости s–1 и т. п.) для материала детали по справочным данным или результатам механических испытаний; smax – максимальное напряжение в опасном сечении детали для наиболее неблагоприятных условий нагружения; [S] – допускаемое значение запаса прочности.

Заметим, что запасы прочности имеют, вообще говоря, условное значение. Они служат критериями сравнения прочностной надежности проектируемых деталей с аналогичными деталями, апробированными в эксплуатации;

в) расчет на основе оценки прочностной надежности по вероятности разрушения методами и средствами теории вероятностей.

Основные пути повышения прочностной и триботехнической надежности деталей и узлов машин заключаются в следующем:

−  обоснованно рациональный выбор материалов деталей, их термической или химико-термической обработки;

−  проектированиеикомпоновкаузловизделийсминимальновозможным числом деталей (элементов), среди которых должно быть максимально возможное число проверенных практикой. При возможности следует предусматривать резервирование элементов, особенно с низкой надежностью;

−  обоснованное назначение размеров деталей и узлов; −  обеспечение высокой контролеспособности деталей и узлов

конструкций при их изготовлении, сборке и эксплуатации; −  оснащение конструкций устройствами, обеспечивающими пре-

дотвращение катастрофических отказов, и контрольными устройствами, предупреждающими о нарушении нормальной работы;

−  обязательная разработка системы технических осмотров и обслуживания конструкций;

31

Глава 2. Работоспособность машин

−  обеспечение надежности машин при проектировании, изготовлении и эксплуатации.

В общем случае основные показатели надежности, а также других значимых характеристик машины зависят от многих факторов. Для удобства их классификации целесообразно рассмотреть все стадии (этапы) создания и эксплуатации машины, а также основные методы обеспечения ее надежности:

1)проектирование и конструирование машины;

2)изготовление машины;

3)эксплуатацию машины.

На первом этапе – этапе проектирования иконструирования – закладываетсянадежностьидолговечностьдеталей,узловимашинывцелом.

К наиболее важным методам обеспечения надежности при низком уровне материало- и энергоемкости машины относятся:

1)оптимизацияисовершенствованиерасчетовдеталей,узловимеханизмов машины сучетом ее эксплуатации (режимов, нагрузок идр.);

2)выбор материалов для деталей, узлов и конструкций машины,

втом числе высокопрочных конструкционных материалов на основе упрочняющих волокнистых наполнителей;

3)совершенствование конструкций деталей, узлов и механизмов, их проектирование под ресурсо-, энерго- и трудосберегающие технологические процессы изготовления;

4)выбор эффективных методов повышения прочности, износостойкости и коррозионной стойкости деталей машин с учетом условий их эксплуатации;

5)совершенствование схем унификации и агрегатирования блоков и сборочных единиц, повышение уровня стандартизации деталей, узлов и механизмов машины.

При проектировании и конструировании выбирают материалы, размеры, схемы, сечения и прочее в соответствии с предполагаемым сроком службы и основными показателями надежности. На этом этапе закладывается надежность за счет того, что используются соответствующиеметодикирасчетамашин,покоторымпринимаютдопускаемые напряжения, выбирают расчетные схемы и материалы.

Заложенная на этапе проектирования надежность на следующих этапах – изготовления и эксплуатации – может быть только (в лучшем случае) поддержана на определенном уровне, но не повышена.

32

Глава 3. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ МАШИН ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

3.1. Оптимизация и совершенствование расчетов деталей и узлов механизмов машины

На этапе разработки технического задания вырабатываются требования к надежности узлов, сборочных единиц и деталей, влияющих на работоспособность машины в целом. При этом используют методики, разработанные специалистами ведущих НИИ.

При подготовке требований на надежность следует провести следующие мероприятия:

1)анализ соответствия исходных данных (по техническому заданию) реальным условиям, отражающим специфику работы машины

вцелом, а также ее узлов, сборочных единиц и деталей;

2)повышение точности определения действующих нагрузок (и их влияние на работу различных механизмов машины), что особенно важно при динамических нагрузках и неустановившихся режимах. Для этих целей используют:

а) метод определения эквивалентных нагрузок, учитывающий режим нагружения, в том числе переменность нагрузок (работа навыносливость);

б) вероятностные методы расчета, основанные на статистическом изучении действующих нагрузок и прочностных характеристик материалов;

3)прогнозирование надежности машины с применением методов подобия и моделирования как рабочих органов, так и среды. В частности, разработаны методики для проведения исследований на моделях ДСМ в естественной среде, а также в модельной (измененной) с последующим пересчетом усилий и напряжений применительно к натуральным объектам (как машинам, так и средам);

33

Глава 3. Обеспечение надежности машин при проектировании

4)анализ надежности базовой машины (аналога) и обеспечение

ееповышения в проектируемой конструкции;

5)испытание опытных образцов и серийных изделий:

а) заводские испытания (ускоренными методами) с ограниченным числом опытных образцов, обоснованным с вероятностных позиций:

−  функциональные поузловые испытания на работоспособность; −  поузловые испытания на надежность; −  заводские функциональные испытания изделия в целом на ра-

ботоспособность; б) заводские испытания серийных образцов:

−  испытаниякаждогоизделиянаработоспособностьпривыпуске; −  выборочные (периодические) контрольные испытания нанадеж-

ность; в) систематические наблюдения за работой серийных изделий

в условиях эксплуатации (сбор и анализ всех отказов и неисправностей; разработка мероприятий по повышению надежности изделий; информирование завода-изготовителя).

3.2. Совершенствование конструкций деталей и узлов механизмов и машин для повышения их надежности

Повысить надежность машин можно путем совершенствования конструкции деталей и узлов машин. Это можно выполнить, например, за счет:

1)упрощения конструкции за счет выбора более простых (детально продуманных) схем машины с ограниченным числом сборочных единиц, деталей и их более рациональной конструкции;

2)применения более совершенных металлоконструкций:

а) для повышения надежности металлоконструкций сварных ходовых рам СДМ и поворотных платформ (разрушение происходит в местах приварки поперечных балок к продольным, в местах сварки стержней конструкций ферм и остова машины) следует избегать жестких сварных конструкций; не применять при сварке металлы различной структуры; избегать острых углов и резких переходов; сокращать число свариваемых элементов за счет применения специальных профилей и штампованных изделий;

34

3.2. Совершенствование конструкций деталей и узлов механизмов и машин...

б) для повышения надежности рабочего оборудования СДМ (разрушение стрел, рукоятей ковшей у ОЭ и погрузчиков, отвалов и толкающих брусьев у бульдозеров, ножей у автогрейдеров – в местах концентрации внутренних напряжений, возникающих после сварки, что чаще всего проявляется при низких температурах) применять вместо сварных штампованные элементы с ограниченным числом деталей и специальные профили проката;

в) для повышения надежности металлоконструкций использовать в качестве остовов машин холодный прокат и трубы, что снижает металлоемкость; в других случаях использовать заготовки горячих

ихолодных штамповок, горячекатаных профилей периодического сечения, гнутых профилей из литья повышенной точности.

Для повышения надежности соединений производят замену шпоночных соединений шлицевыми (часто с эвольвентным профилем).

Для повышения надежности передач используют:

а) в крановых приводах (если это возможно) волновые передачи, которые характеризуются одновременной работой до 40 % зубьев;

б) во всех механизмах ДСМ зубчатые передачи в масляных ваннах.

Для повышения надежности механизмов поворотов ДСМ (опор- но-поворотные круги воспринимают большие динамические нагрузки) следует:

а) использовать роликовые поворотные конструкции (хотя шариковые – совершеннее);

б) подвергать закалке беговые дорожки опорно-поворотных кругов токами высокой частоты (ТВЧ) с предварительной объемной закалкой и высоким отпуском.

Для повышения прочности деталей и узлов механизмов следует их закалять или изготавливать с наплавкой твердыми сплавами (например, ножи автогрейдера). Это повышает срок службы.

Для повышения износостойкости ряда быстровращающихся деталей рекомендуется применять хромированные, сульфидированные

идругие покрытия.

Для повышения долговечности зубьев зубчатых муфт (в 2–3 раза по сравнению с муфтами, прошедшими термическую обработку – «улучшение») их следует закаливать ТВЧ до HRC 35–40.

35

Глава 3. Обеспечение надежности машин при проектировании

3.3. Технологические методы обеспечения надежности машин при их изготовлении

3.3.1. Обеспечение точности размеров деталей при механической обработке

Точность изготовления детали должна соответствовать требованиям рабочих чертежей, ТУ и стандартов. При этом все размеры должны быть в пределах допусков, установленных чертежом (или стандартом).

Точность зависит от нескольких групп факторов:

−  точности станка и приспособлений, на которых производится обработка;

−  точности изготовления и установки режущего инструмента, степень его износа и нагрева;

−  точности измерительного инструмента и промеров.

Попервойгруппе:станкинемогутбытьабсолютноточнымииодинаковыми. В зависимости от класса точности станка (соответствующих допусков) наблюдается биение шпинделей, непрямолинейность направляющих, неперпендикулярность осей шпинделей рабочим поверхностям столов, зазоры в сочленениях. Отсюда – погрешности в размерах обрабатываемых заготовок и деталей, конусность, овальность, седлообразность и бочкообразность цилиндрических поверхностей, смещение и непараллельность осей, непараллельность плоскостей. По мере износа, нагрева в узлах трения и прочих причин эта погрешность возрастает.

По второй группе: режущий инструмент изготовлен также с определенной степенью точности, к этому можно добавить точность его установки, нагрев и износ, что в совокупности может быть источником погрешностей. Поэтому важное значение для обеспечения точности размеров при механической обработке имеют правильная установка заготовки на станке и связанный с этим выбор баз.

Базы используют как в машиностроении (при изготовлении), так и в ремонтном производстве.

Технологической базой называют поверхность или сочетание поверхностей, осей или точек заготовки, которые используют для ее установки и закрепления в необходимом положении при обработке.

36

3.3. Технологические методы обеспечения надежности машин...

Как правило, заготовку лишают всех шести степеней свободы. Для этого используют установочную, направляющую и опорную базы.

Установочной базой называют базу, которая лишает заготовку трех степеней свободы (перемещения вдоль одной координатной оси и поворота вокруг двух других).

Направляющей базой называют базу, которая лишает заготовку двух степеней свободы (перемещения вдоль одной координатной оси и поворота вокруг другой оси).

Опорной базой называют базу, которая лишает заготовку одной степени свободы (перемещения вдоль одной координатной оси).

Технологическими базами могут быть плоские, внутренние и наружные цилиндрические поверхности, торцовые и другие поверхности (например, конструктивных элементов, которые определяют положение детали в машине, а также специально создаваемых технологических элементов – центровых гнезд валов, центрирующих поясков и др.). Для выполнения первых операций и переходов при обработке заготовки могут быть использованы черновые базы (необработанные поверхности).

Кроме технологических выбирают измерительные базы. Измерительной называют базу, которая используется для опре-

деления относительного положения заготовки (или изделия), а также средств измерения и отсчета размеров при обработке заготовки или сборке изделия.

Для достижения высокой точности обработки заготовки следует совмещать технологические и измерительные базы, т. е. принимать для установки заготовки и ее измерения одни и те же поверхности, линии и точки. В противном случае, т. е. при несовпадении технологической и измерительной баз, возникают погрешности базирования.

Погрешность базирования – это отклонение размера детали, получаемое при обработке заготовки от заданного на предварительно настроенном станке. Это происходит из-за того, что расстояния от измерительной базы до рабочего инструмента, установленного заданным образом для обработки заготовки, при различных фактических размерах заготовки (в пределах допуска на ее изготовление) получаются разными.

37

Глава 3. Обеспечение надежности машин при проектировании

Например, необходимо установить заготовку для фрезерования паза (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схема фрезерования паза

Фреза настроена на постоянные размеры А = const, С = const, т. е. плоскости x–x и z–z являются технологическими базами. Делаем паз в детали. Нам нужны размеры детали а и b. Для размера а измерительной базой является плоскость x–x, т. е. для этого размера технологическая и измерительная базы совпадают, следовательно, размер а будет выдержан без погрешностей базирования (колебания размеров возможны, но за счет других факторов). Для размера b измерительной базой будет плоскость y–y, т. е. этот размер будет зависеть от действительного размера детали С, который может отличаться в пределах допуска (на некоторую величину) на этот размер, установленный для заготовки.

Следовательно, и размер b (при С = const) также будет иметь погрешность на эту же величину. Таким образом, здесь имеет место именно погрешность базирования, когда измерительная база (поверхность или плоскость y–y) не совпадает с технологической базой (плоскостью z–z).

Другой пример – деформация детали от усилия резания (при обработке вала в центрах точением), в результате которой обработанная поверхность имеет бочкообразный вид (рис. 3.2).

38

3.3. Технологические методы обеспечения надежности машин...

Рис. 3.2. Виды деформации детали от усилия резания

Предельные погрешности базирования во многих случаях можно определить геометрическим расчетом на основе схемы установки детали для обработки и установленных допусков. Таким образом, суммарная погрешность механической обработки зависит от первичных погрешностей, возникающих в результате действия каждого из факторов, влияющих на точность обработки. Все погрешности по характеру проявления подразделяются на систематические и случайные.

В результате действия случайных факторов действительные размеры детали распределяются в пределах некоторой амплитуды погрешности, оценка которой производится методами математической статистики и теории вероятности. Кривая нормального распределения фактических размеров детали выглядит, как показано на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Кривая нормального распределения фактических размеров детали:x – размер детали;y – функция плотности размеров;m – математическое ожидание (среднее арифметическое размера); σ – среднее квадратичное отклонение

39

Глава 3. Обеспечение надежности машин при проектировании

Установлено, что распределение действительного размера деталей, при обработке которых действует большое число случайных факторов, но ни один из них не является преобладающим, удовлетворительно описывается нормальным законом распределения.

При этом положение центра группирования (точка О′) определяется качеством настройки станка и инструмента, а степень рассеивания фактических размеров – техническим состоянием оборудования. Знание закона и параметров распределения размера детали в результате обработки позволяет определить вероятность появления брака, осуществлять статистическое регулирование технологического процесса.

Естественно, это возможно при изготовлении больших партий деталей на предварительно настроенных станках (используют стандартизированные методы: метод средних арифметических значений и размахов и метод медиан и индивидуальных значений). Но в условиях единичного и мелкосерийного производства заданная точность размеров достигается методом пробных рабочих ходов.

3.3.2. Обеспечение требуемого качества сборки узлов, агрегатов и машин в целом. Понятие о размерных цепях

Сборка – заключительный и наиболее трудоемкий этап изготовления машины. От качества сборки зависят надежность и долговечность машины, ее эксплуатационные и технические характеристики. Отметим, что трудоемкость сборки составляет:

40–50 % – в единичном производстве; 15–20 % – в массовом производстве (от общей трудоемкости изго-

товления машины).

Имеется несколько методов сборки:

−  с применением полной, неполной или групповой взаимозаменяемости;

−  с пригонкой; −  с регулированием.

Отличительными признаком сборки является то, каким образом достигается заданная точность замыкающего звена сборочной единицы. Размерной цепью называют совокупность размеров, участвующих в решении поставленной задачи и образующих замкнутый

40