Надежность механических систем. Учебно-методическое пособие

3.3. Технологические методы обеспечения надежности машин...

контур. Размеры деталей, включаемые в размерную цепь, называют звеньями, а звено (т. е. размер), которое является исходным при постановке задачи (и последним в результате ее решения), – замыкающим звеном.

Например, решается технологическая задача обеспечения натяга заданной(конструктором)величины.Тоестьвеличинанатяга–замы- кающеезвено– определяетсяточностьюразмеровдеталей, входящих в размерную цепь. В свою очередь величина натяга влияет на выбор метода сборки.

Машины и приборы, собранные из отдельных деталей, будут нормально работать в том случае, если каждая деталь в них будет занимать предназначенное ей место относительно других деталей. Правильное положение деталей, их поверхностей и осей относительно других деталей в изделии обеспечивается расчетом так называемых размерных цепей.

Размерная цепь – это последовательный ряд взаимосвязанных линейных или угловых размеров, образующих замкнутый контур и отнесенных к одной или к группе деталей. Различают линейные, угловые, плоскостные и пространственные размерные цепи. В машиностроении они позволяют аналитически-вероятностным методом установить рациональную систему простановки размеров на чертежах деталей машин и оптимальные допуски из условий полной взаимозаменяемости конструкций при сборке или их сборку с минимальной подгонкой.

Вразмерной цепи один из размеров называется замыкающим,

аостальные – составляющими. Замыкающий размер в порядке выполнения технологических операций изготовления детали или сборки узла является функцией составляющих размеров.

Взависимости от назначения различают размерные цепи конструкторские, технологические и измерительные. Расчет конструкторской размерной цепи обеспечивает необходимую точность при конструировании изделий, технологической – при изготовлении деталей и сборке узлов, а измерительной – при измерении различных величин, характеризующих точность деталей и сборочных единиц. Конструкторские размерные цепи делятся на подетальные и сборочные. Если размерная цепь определяет относительное положение и точность поверхностей у одной детали, то она называется

41

Глава 3. Обеспечение надежности машин при проектировании

подетальной размерной цепью, а размерная цепь в сборочном чертеже, размеры которой принадлежат разным деталям, называется

сборочной размерной цепью.

Сборочная размерная цепь включает в себя не более чем по одному размеру каждой из участвующих в ней деталей. В большинстве случаев замыкающими размерами таких цепей являются зазоры, натяги или размеры, которые определяют положение одной детали относительно другой.

Графическое изображение размерной цепи в виде замкнутого контура, образуемого последовательно примыкающими один к другому размерами, называется схемой размерной цепи.

Как известно из правил инженерной графики, размеры в рабочем чертеже детали не должны составлять замкнутую цепочку, поэтому на рис. 3.4 размер выточки на детали не показан. Но в графическом изображении на схеме размерной цепи цепочка размеров показывается замкнутым контуром и размер выточки БD показан для расчета

(рис. 3.4, б).

а)

Рис. 3.4. Подетальная линейная размерная цепь: а – эскиз детали с размерами; б – схема размерной цепи

На схеме размерной цепи все составляющие размеры обозначаются какой-либо одной прописной буквой русского алфавита

42

3.3. Технологические методы обеспечения надежности машин...

(например, Б) с номером по порядку. Порядковые номера размеров обычно ставят от замыкающего размера по ходу часовой стрелки. Замыкающий размер вместо порядкового номера имеет знак D.

Составляющие размеры размерной цепи по-разному влияют на замыкающий размер: если от увеличения составляющего размера увеличивается и замыкающий размер, то такой составляющий размер называется увеличивающим; в противном случае его называют уменьшающим. В рассматриваемом примере на рис. 3.4 замыкающим размером является размер БD (при обработке он получается последним), увеличивающим размером – Б2, а уменьшающими разме-

рами – Б1 и Б3.

Основными свойствами размерной цепи являются замкнутость размерного контура и влияние на любой размер цепи отклонений по другим размерам.

Рассмотримэтисвойстванапримереразмернойцепи(см.рис.3.4). 1. Номинальное значение замыкающего размера этой цепи равно разности между суммой номинальных значений увеличивающих размеров и суммой номинальных значений уменьшающих размеров:

БD = Б2 – (Б1 + Б3) = 80 – (40 + 35) = 5 мм.

2. Верхнее отклонение БDS замыкающего размера равно разности между суммой верхних отклонений БS увеличивающих размеров и суммой нижних отклонений Бi уменьшающих размеров:

БDS = Б2S – (Б1i + Б3i) = + 0,04 – [– 0,02 + (– 0,01)] = 0,07 мм.

3. Нижнее отклонение замыкающего размера равно разности между суммой нижних отклонений увеличивающих размеров и суммой верхних отклонений уменьшающих размеров:

БDi = Б2i – (Б1S + Б3S) = [– 0,02 – (0 + 0,01)] = –0,03 мм.

4. Допуск TБD замыкающего размера равен сумме допусков Т всех составляющих размеров:

TБD = ТБ1 + ТБ2 + ТБ3 = 0,02 + 0,02 + 0,06 = 0,1 мм.

Проверка:

TБD = ТБDS + ТБDi = 0,07 – (–0,03) = 0,1 мм.

43

Глава 3. Обеспечение надежности машин при проектировании

Таким образом, замыкающий размер воспринимает все погрешности составляющих размеров, и поэтому за замыкающий размер должен приниматься наименее ответственный из размеров.

Расчет размерных цепей сводится к решению одной из двух задач, называемых прямой и обратной.

При решении прямой задачи расчета размерной цепи на основе заданных требований к величине замыкающего размера рассчитывают все данные составляющих размеров (отклонения, допуски). При об-

ратной задаче расчета размерной цепи рассчитывают предельные отклонения и допуск на замыкающий размер по заданным отклонениям и допускам на все составляющие звенья. Следовательно, в рассмотренномпримеремырешалиобратнуюзадачурасчетаразмернойцепи.

Исходные данные для решения обратной задачи расчета размерной цепи представлены в приложении (задача № 7).

ГОСТ 16320–70 предусматривает и предлагает к использованию две группы методов расчета размерных цепей: метод полной взаимозаменяемости, основанный на расчете на максимум-минимум, и вероятностный; пять методов достижения точности замыкающего размера, осуществляемых полной взаимозаменяемостью, неполной взаимозаменяемостью, групповой взаимозаменяемостью, регулированием и пригонкой.

3.3.3. Обеспечение качества поверхностей деталей при механической обработке

Качество поверхностей характеризуют геометрическими и физи- ко-механическими параметрами, точнее, геометрическими параметрами и физико-механическими характеристиками.

К геометрическим параметрам относятся шероховатость, волнистость, а также направление штрихов обработки.

Шероховатость – это совокупность периодических неровностей с относительно малым шагом (т. е. это микрорельеф поверхности на малой базовой длине, на которой исключаются отклонения формы и волнистость).

Измерение шероховатостей производят с помощью профилографов и профилометров, а также с помощью косвенных методов оценки. Ее величина зависит от метода и режима обработки, геометрии

44

3.3.Технологические методы обеспечения надежности машин...

исостояния режущего инструмента, физико-механических свойств обрабатываемого материала и других факторов. Для каждого метода обработки имеется свой диапазон получаемой шероховатости (рис. 3.5). Наибольшее влияние на шероховатость оказывают скорость резания (v) и величина подачи.

Л а

Рис. 3.5. Профилограмма шероховатости поверхности и ее параметры

Рассмотрим номенклатуру параметров шероховатости поверхности, установленную ГОСТ 2789–73* и геометрически интерпретируемую на рис. 3.5:

Ra – среднее арифметическое отклонение профиля как среднее арифметическоеабсолютныхзначений|yi|отклоненийпрофиляотбазовой линии (средней линии профиля т) в пределах базовой длины l по п выбранным точкам профиля на этой длине:

Rz – высота неровностей профиля по десяти точкам как сумма средних абсолютных значений высот ypmi пяти наибольших выступов профиля и глубин yvmi пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины:

45

Глава 3. Обеспечение надежности машин при проектировании

Rmax – наибольшая высота неровностей профиля как расстояние между линией выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины:

где Rp и Rv – высота наибольшего выступов профиля и глубина наибольшей впадины профиля соответственно.

Sm – средний шаг неровностей профиля как среднее значение шага неровностей профиля по средней линии в пределах базовой длины.

S – средний шаг местных выступов профиля как среднее значение шагов местных выступов профиля (по вершинам) в пределах базовой длины.

tp – относительная опорная длина профиля, %, как отношение опорной длины профиля к базовой длине на заданном уровне сече-

где hр – опорная длина профиля – сумма длин отрезков bi, отсекаемых на заданном уровне р в материале профиля линией, эквидистантной средней линии в пределах базовой длины.

Среди приведенных параметров шероховатости поверхности параметр Ra является предпочтительным, представляя собой среднюю высоту всех неровностей профиля, в то время как Rz характеризует среднюю высоту только наибольших неровностей, a Rmax – всего лишь полную высоту профиля.

Параметры S иSm характеризуют взаимное расположение (расстояние)характерныхточекнеровностейвершин(максимумов)профиля и точек пересечения профиля со средней линией (нулей профиля). Их значения приводятся на чертежах, когда требуется обеспечить прочность деталей при циклических нагрузках или виброустойчивость.

Параметр tp содержит наибольшую информацию о высотных свойствах профиля, комплексно характеризуя высоту и форму неровностей. В продольном направлении этот параметр позволяет судить о фактической площади контакта при сопряжении шероховатых поверхностей на заданном уровне сечения р. Числовые значения tp приводятся в стандарте и выбираются из ряда 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50,

46

3.3. Технологические методы обеспечения надежности машин...

60, 70, 80, 90 %. На чертежах его рекомендуется задавать при износе трущихся поверхностей, контактной жесткости и герметичности.

Для нормирования шероховатости, как и во всех прочих случаях регламентации, конструктором качества поверхности применяются три основных способа: по прототипу (метод прецедентов), расчетный и экспериментальный. Выбор параметров и их значений при этом должен производиться с учетом назначения поверхности и установления их связи с ее эксплуатационными свойствами, а также с учетом технологических возможностей производства и методов обработки поверхности по обеспечению требуемого уровня качества. Некоторые важнейшие эксплуатационные свойства поверхности, зависящие от шероховатости, и номенклатура параметров, обеспечивающих показатели этих свойств, приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Нормирование шероховатости по требуемым эксплуатационным свойствам

При выборе способов обработки для получения требуемых параметров шероховатости поверхности для типовых изделий чаще всего используется метод прецедентов на основе справочных таблиц и материалов из ГОСТов и других научно-технических источников.

С увеличением v Rz сначала возрастает (из-за образования на лезвиях инструмента при обработке пластичных материалов так называемых наростов), а потом снижается до стабильных значений. Точка экстремума (Rz = max) смещается влево с увеличением

47

Глава 3. Обеспечение надежности машин при проектировании

теплопроводности обрабатываемого материала (рис. 3.6). Шероховатость снижается при уменьшении подачи при резании. Таким образом, при правильном выборе метода обработки можно обеспечить требуемые геометрические параметры поверхностей. Физико-меха- нические свойства материалов, в частности их поверхностного слоя, определяются природой материала, его термической и химико-тер- мической обработкой.

Кроме того свойства поверхностного слоя зависят от силовых (и термических) воздействий в процессе механической обработки. Они вызывают:

1)наклеп(упрочнение)врезультатесиловоговоздействиярезания;

2)разупрочнение (снятие наклепа) в результате нагрева.

При обработке режущим инструментом в основном возникает наклеп, причем с увеличением глубины резания и подачи толщина наклепанного слоя возрастает (напряжения сжатия), но при высоких скоростях резания, малых подачах и глубинах, при обработке абразивным инструментом могут возникнуть напряжения растяжения (в результате нагрева).

Подбираяспособыобработки,режимырезанияиохлаждения,геометрию режущего инструмента, можно направленно влиять на остаточные напряжения. Как правило, создают наклеп, так как он повышает усталостную прочность, износостойкость и коррозионную стойкость.

Рис. 3.6. Влияние скорости резания и величины подачи на шероховатость материала: 1 – медь; 2 – сталь; 3 – легированная сталь; 4 – пластмасса

48

3.4.Повышение надежности и долговечности деталей машин...

3.4.Повышение надежности и долговечности деталей машин при их эксплуатации

Надежность, заложенная на стадии проектирования и изготовления, должна обеспечиваться и в период эксплуатации машин. В процессе эксплуатации нарушается взаимосвязь между отдельными деталями вследствие их износа, а также первоначальные посадки

изазоры в сопряжениях, ослабляются крепления деталей в сборочныхединицахи агрегатах. Все этоприводиткувеличениюдинамических нагрузок и ухудшению условий смазки, росту скорости изнашивания,снижениюэксплуатационныхпоказателеймашиныи,наконец, к полному отказу машины.

Как отмечалось, к деталям рабочих органов ДСМ, подверженных интенсивному абразивному износу (т. е. механическому изнашиванию), относятся:

−  зубья и передние стенки ковшей одноковшовых экскаваторов; −  детали ходовых частей машин; −  дробящие плиты дробильных машин и другие части ДСМ,

имеющие непосредственное соприкосновение (контакт) с разрабатываемым грунтом или обрабатываемыми (перерабатываемыми) материалами.

Например, в суглинистых грунтах средний износ крайних ножей по ширине у мощных бульдозеров достигает 50 мм за 20 ч работы (при скорости изнашивания до 260 мкм/ч). Установлено, что при износе ножа на 15 мм общее сопротивление грунта резания увеличивается на 50 %, т. е. растет время на выполнение рабочих операций, падает производительность и увеличивается энергоемкость резания.

Изношенные зубья заменяют на новые или же восстанавливают износостойкой наплавкой или наваркой с последующей наплавкой.

Износ рабочих органов ДСМ связан с абразивностью грунтов, которая растет с увеличением содержания частиц SiO2, их размеров

изакрепленности. Так, в талом и мерзлом грунте износ деталей растет в 2 раза с уменьшением содержания глинистых частиц. С ростом плотности грунтов износ увеличивается в 5 раз (при малом содержании глинистых частиц). С уменьшением влажности (ниже 20 %) увеличивается абразивность глинистых грунтов. Наиболее высока

49

Глава 3. Обеспечение надежности машин при проектировании

абразивность мерзлых грунтов. Кроме того, абразивному изнашиванию подвержены и многие детали машин, образующие пары трения, в том числе подшипники, оси и валы, опорные катки, зубчатые передачи, а также другие сборочные единицы и сопряжения, плохо защищенные от пылевидного абразива (песок и т. д.). Наиболее интенсивно изнашиваются шейки валов в местах подвижного соединения с подшипниками. Износ шейки вала:

I = 0,02…0,2 мм для подшипников качения;

I = 0,15…2,0 мм для подшипников скольжения.

Всостав пыли входят двуокись кремния SiO2 – 65–95 %; окись железа Fe2O3 – 5–30 %; остальное – соединения кальция, магния, натрия. Она загрязняет масла. К моменту их замены содержание абразивных частиц в маслах достигает 3–5 масс. %.

Встроительных машинах часто разрушаются металлоконструкции рам, стрел, рукоятей, ковшей, отвалов и др. Наиболее частой причиной разрушения сварных швов с последующим распространением трещин на основной металл являются внутренние напряжения или дефекты самого шва.

Практически любое сопряжение в процессе эксплуатации теряет свои первоначальные (исходные) показатели. Это относится к крепежным, шлицевым и шпоночным соединениям.

Муфты, силовые передаточные механизмы (зубчатые, червячные, цепные, ременные передачи), муфты сцепления, дисковые, конические и ленточные муфты, бортовые фрикционы, ходовые устройства, грузовые гибкие элементы и т. д. тоже могут в процессе эксплуатации терять свои первоначальные (исходные) показатели. С учетом всего перечисленного очень важно поддерживать в период эксплуатации запланированный уровень надежности. Такая задача может быть выполнена при соответствующей организации системы технического обслуживания и ремонта. Эта система включает совокупность средств, объектов обслуживания и исполнителей, обеспечивающих заданные показатели надежности машин при минимальных затратах.

Любая машина в процессе эксплуатации утрачивает свои функциональные свойства и качественные показатели, поэтому бессмысленно пытаться достичь абсолютной надежности ее элементов (и машины в целом). Гораздо более экономичным является принцип оптимальной надежности.

50