Лекция № 2. Основные показатели качества машин.

Основной показатель качества изделия есть надёжность. Надёжность характеризуется основ­ными состояниями (работоспособность, исправность, неисправность) и собы­тиями (отказы и сбои) при эксплуатации машин. Для машины важно обеспечить её работоспособность, т.е. состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции, сохраняя значение заданных параметров в уста­новленных документацией пределах. Работоспособность определяется прочностью, жесткостью, износостойкостью, виброустойчивостью и теплостойкостью.

Важнейшим критерием работоспособности является прочность, т.е. способность детали сопротивляться разрушению или возникновению недопустимых пластических деформаций под действием приложенных к ней нагрузок. Это абсолютный критерий. Ему должны удовлетворять все детали.

Наиболее распространенный метод оценки прочности деталей машин — это сравнение расчетных (рабочих) напряжений, возникаю­щих при действии эксплуатационных нагрузок, с допускаемыми на­пряжениями.

Для выбора допускаемых напряжений и коэффициентов запаса прочности в машиностроении пользуются двумя методами: табличным и дифференциальным.

Табличный метод выбора допускаемых напряжений и коэффициентов запаса прочности конкретней, проще и очень удобен для пользования. В книге для ряда деталей приведены табличные данные о допус­каемых напряжениях и допускаемых коэффициентах запаса проч­ности.

Дифференциальный метод заключается в том, что допускаемое напряжение или допускаемый коэффициент запаса проч­ности определяют по соответствующей формуле, которая учитывает различные факторы, влияющие на прочность рассчитываемой детали. Допускаемые напряжения [σ] и [τ] при статических нагрузках, т. е. при постоянных напряжениях и отсутствии концентрации напряже­ний, или в случаях, когда концентрация не влияет на прочность де­талей (пластичные материалы), определяют по формулам

[σ] = σ_пред/[s]; (2.1)

[τ] = τ_пред/[s], (2.2)

где σ_пред и τ_пред — соответственно предельные нормальное и касательное напряжения, при достижении которых рассчитываемая деталь выходит из строя вследствие возникновения недопустимо большой остаточной деформации или разрушения; [s] — допускаемый (требуе­мый, заданный или нормативный) коэффициент запаса прочности для рассчитываемой детали машины.

Нагрузка на детали машин и возникающие в них напряжения могут быть постоянными и переменными во времени.

При расчете на прочность деталей машин при переменных напря­жениях в качестве предельного напряжения σ_пред или τ_пред прини­мают соответствующий предел выносливости: при изгибе, при растяжении (сжатии), при кручении.

Пределы выносливости при симметричном цикле напряжений для стали: при растяжении или сжатии

(2.3)

для углеродистой стали при изгибе

(2.4)

для легированной стали при изгибе

(2.5)

при кручении

(2.6)

где σ_в — предел прочности.

Отказы около 50 % деталей (зубчатые, фрикционные и червячные передачи, подшипники качения) обу­словлены действием контактных напряжений. Подробнее контактная прочность будет рассмотрена в разделе "Передачи".

Основные направления повышения прочности изделия.

1. Следует избегать действия изгибных напряжений. Конст­руировать следует так, чтобы материал работал на сжатие или рас­тяжение. Например, мосты конструируют в виде ферм, а не как балки, опертые по краям.

2. Выбирать рациональную форму. Для недопущения высоких значений напряжений изгиба сосуды высокого давления выполняют сферическими, а не призматическими.

3. Оптимизировать форму с целью ликвидации концентрато­ров напряжений. Так, только за счет оптимизации формы прочность коленчатого вала по сопротивлению усталости удалось повысить в 3 раза.

4. Создавать в деталях начальные напряжения обратного зна­ка, в частности механическим или термическим поверхностным уп­рочнением.

Жесткость — один из важнейших критериев работоспособности деталей машин. Жесткость - способность детали сопротивляться изменению формы и размеров под нагрузкой. Лишь при условии достаточно высокой жесткости валов обеспечивается удовлетворительная работа подшипников и передач; жесткость соответствующих деталей машин обеспечивает выпуск изделий требуемой точности.

Различают объемную (собственную) и контактную жесткость де­талей машин. Расчеты на объемную жесткость известны из курса сопротивления материалов; при этих расчетах ограничивают переме­щения, обусловленные деформациями всего материала детали. При расчетах на контактную жесткость имеют в виду перемещения, свя­занные только с деформациями поверхностных слоев.

Расчет на контактную жесткость деталей машин с начальным кон­тактом в точке (например, в шарикоподшипниках) или по линии (в роликовых подшипниках, зубчатых и фрикционных передачах) про­изводят по формулам теории контактных напряжений и деформаций.

Роль этого критерия работоспо­собности возрастает в связи с тем, что прочностные характеристики материалов (например, сталей) постоянно улучшаются, что позволя­ет уменьшить размеры деталей, а упругие характеристики (модуль уп­ругости) при этом не изменяются. Так, за последние 50 лет временное сопротивление σ_Β легированных сталей повысили от 500 до 1500 МПа при неизменном значении модуля упругости Ε = 2,1 · 10⁵ МПа.

Различная жесткость деталей соединения меняет распределение нагрузки между отдельными элементами. Так, из-за недостаточной жесткости фланцев нагрузка на болты возрастает в 4-5 раз. В большинстве случаев основным критерием расчета валов является жесткость, а не прочность. Варьируя жесткость отдельных элемен­тов механической системы, можно выйти из области резонанса.

Практические расчеты на жесткость проводят в форме ог­раничения упругих деформаций в пределах, допустимых для конкретных условий работы.

Мероприятия по повышению жесткости.

1. Рациональное расположе­ние опор. Расположение опор на расстоянии 0,223l от концов уменьшает максимальный прогиб f балки под действием силы тяже­сти в 48 раз (рис. 2).

Рис. 2. Рис. 3

При конст­руировании узла вала конической шестерни следует выдерживать соотношение b/a = 2,5 (рис. 3).

2. Применение материалов с высо­ким модулем упругости: сталей, чугунов с шаровидным графитом.

3. Выбор рациональной формы сече­ния. Жесткость двутавра, равновеликого круглому цилиндрическому брусу, выше в 26 раз.

4. Повышение контактной жесткости в подвижных сопряже­ниях пригонкой и уменьшением волнистости и шероховатости по­верхностей, предварительным натягом.

Устойчивость — критерий работоспособности длинных и тонких стержней, а также тонких пластин, подвергающихся сжатию силами, лежащими в их плоскости, и оболочек, испытывающих внешнее дав­ление или осевое сжатие. Потеря устойчивости происходит при до­стижении нагрузкой критического значения; при этом происходит резкое качественное изменение характера деформации детали. Расчет деталей машин на устойчивость производят по формулам сопротив­ления материалов.

Впервые понятие устойчивости стало оцениваться более серьёзно после крушения моста в Канаде в Квебеке на реке Святого Лаврентия. 29 августа 1907 года за 15 минут до конца рабочего дня. При обрушении моста погибло 74 человека.

Износостойкость - свойство материала оказывать сопротив­ление изнашиванию. Под изнашиванием понимают процесс разру­шения и отделения вследствие трения материала с поверхности твердого тела, проявляющийся в постепенном изменении размеров или формы. Износостойкость — важнейший критерий работоспособности тру­щихся деталей машин. До 90% деталей подвижных сопряжений машин выходят из строя из-за износа. В результате износа сни­жаются коэффициент полезного действия, точность сопряжений, на­дежность, долговечность и экономичность деталей машин. Износ деталей значительно повышает стоимость эксплуатации машин в связи с необходимостью периодической проверки их состояния и ре­монта, что вызывает простои и снижает производительность машин.

Износостойкость зависит от физико-механических свойств ма­териала, термообработки и шероховатости поверхностей, от значе­ний давлений или контактных напряжений, скорости скольжения, наличия смазочного материала, режима работы и т.д.

Существуют различные виды изнашивания: усталостное, абразив­ное, адгезионно-механическое, эрозионное, коррозионно-механическое и др. Интенсивность изнашивания деталей машин зависит от формы, размеров, физико-химических свойств, условий нагружения и тепло­вого режима работы контактирующих поверхностей, а также физико-химических свойств смазочного материала. В зубчатых передачах, подшипниках качения и некоторых других механизмах при работе возникает усталостное изнашивание (выкрашивание), характерное для хорошо смазанных контактирующих поверхностей деталей машин, которые испытывают повторные контактные напряжения и работают в режимах качения и качения со скольжением.