1.5. Режимы нагружения машин

Эксплуатационные нагрузки машины (механизма) в течение всего срока службы неодинаковы. Совокупная оценка характерных нагрузок с учетом их времени действия и общим временем эксплуатации называется режимом работы механизма.

Режимы работы (таблица 1.1) устанавливают по классу использования (таблица 1.2) и классу нагружения (таблица 1.3).

Таблица 1.1 – Группа режима работы механизмов по ГОСТ 25835 – 83

Класс использования	Группа режима работы механизма для класса нагружения				Класс использования	Группа режима работы механизма для класса нагружения
	В1	В2	В3	В4		В1	В2	В3	В4
А0	1М	1М	1М	2М	А4	3М	4М	5М	6М
А1	1М	1М	2М	3М	А5	4М	5М	6М	6М
А2	1М	2М	3М	4М	А6	5М	6М	6М	6М
А3	2М	3М	4М	5М

Класс использования механизма (таблица 1.2) устанавливают по времени работы L_h.

Таблица 1.2 – Классы использования механизмов (ГОСТ 25835-83)

Класс использования	А0	А1	А2	А3	А4	А5	А6
Общее время работы механизмов Lh, ч	До 800	800 … 1600	1600 … 3200	3200 … 6300	6300 … 12500	12500… 25000	25000… 50000

Общее время работы L_h механизма рассчитывают по следующей

формуле

L_h =36524 Т_hK_гK_сK_р ПВ% /100 , (1.21)

где Т_h – срок службы , лет; K_г – коэффициент годового использования при числе дней работы в году T _г (K_г=T _г/365); K_с –коэффициент суточного использования механизма при количестве работы часов в сутки t_с (K_с=t _с/24); K_р– коэффициент часового использования механизма, который при количестве минут работы механизма в течение часа t_р, (K_р =t_р /60); ПВ – относительная продолжительность включения.

Относительная продолжительность включения (ПВ) характеризует интенсивность использования механизма и вычисляется по формуле

ПВ=(t_в/t_ц)100%, (1.22)

где t_в – часть цикла, когда механизм включен и работает; t_ц - полное время цикла.

Полное время цикла включает в себя: время пуска t_п, время движения с установившейся скоростью t_у, время торможения t_т и время пауз t_пауз (t_ц =t_п+t_у +t_т +t_пауз). Для механизмов принимают t_ц не более одного часа. При этом ПВ может принимать значения 15, 25, 40, 60.

Для двигателей повторно - кратковременного режима допустимое время цикла установлено равным 10 мин. Если t_ц 10 мин, то режим работы двигателя считается продолжительным ПВ=100%.

Общее времени работы механизма назначается с учетом наибольшей экономичности для ожидаемых условий использования механизма. Для механизмов, у которых предусмотрен капитальный ремонт норма устанавливается до капитального ремонта. Для механизмов, у которых капитальный ремонт не предусмотрен норма устанавливается до списания.

Класс нагружения механизмов (таблица 1.3) устанавливают по коэффициенту нагружения К.

Таблица 1.3– Класс нагружения механизма и его характеристики

(ГОСТ 25835-83)

Класс нагружения	Коэффициент нагружения К	Качественная характеристика класса нагружения
В1	До 0,125	Работа при нагрузках значительно меньше номинальной и в редких случаях ей равных
В2	0,125…0,25	Работа при средних и номинальных нагрузках
В3	0,25…0,5	Работа преимущественно при номинальных и близких к номинальным нагрузкам
В4	0,5…1,0	Постоянная работа при номинальных и близких к номинальным нагрузкам

Коэффициент нагружения К вычисляют по следующей формуле

К=[(Q_i/Q_max)³(t_i/t_i)], (1.23)

где Q_i – нагрузка, действующая на механизм в течение времени t_i; Q_max – наибольшая нагрузка, действующая на механизм в течение времени его работы; t_i – продолжительность времени действия нагрузки Q_i; t_i – суммарное время действия нагрузок на механизм.

Значения нагрузок определяют для концевого звена кинематической цепи механизма (канатный барабан и т.п.), с учетом всех факторов, включая и процессы неустановившегося движения.

Число циклов N_сi нагружения элемента каким – либо силовым воздействием, выраженным через Т_i или Q_i , за время t_i при частоте вращения n_i равно

N_сi= 60 n_it_i. (1.24)

Суммарное число циклов нагружения N_с за время L_h нагружения элемента равно

N_с= N_с1 + N_с2+…+ N_ск, (1.25)

где N_с1, N_с2,…, N_ск - число циклов нагружения элемента внешним воздействием Т₁ , Т₂, …,Т_к соответственно за периоды времени t₁, t₂,…,t_к , (t₁ +t₂ +…+t_к =L_h).

Величины t₁, t₂, …,t_к представляют собой совокупное время действия нагружающих воздействий Т₁, Т₂, …,Т_к в различные периоды в течение всего срока службы.

Эксплуатационные нагрузки Т₁, Т₂, …,Т_к можно сгруппировать по величине в относительных единицах, сопоставив с максимальной Т_max величиной (Т₁/Т_max, Т₂/Т_max, …,Т_к/Т_max) и установить их время действия относительно всего срока службы (t₁/t_h, t₂/t_h,…, t_к/t_h) или относительно общего числа циклов нагружения (N_с1/N_с, N_с2/N_с, …, N_ск/N_с).

Удельный вклад каждой совокупности нагрузок в сочетании со временем их действия относительно общей загрузки механизма является основанием для назначения типа режима нагружения.

В Правилах Госгортехнадзора различают режимы работы механизма легкий (Л), средний (С), тяжелый (Т) и весьма тяжелый (ВТ) .

На рисунке 1.17 показаны циклограммы нагруженности механизма подъема.

Рисунок 1.17– Графики загрузки механизма подъема груза по режимам:

1 – легкий режим; 2 – средний режим; 3 – тяжелый режим

На основе статистической обработки реальных эксплуатационных режимов получены типовые режимы нагружения механизмов.

ГОСТ 21354 – 87 предлагает следующие типовые режимы нагружения: постоянный П, тяжелый Т ( - распределение), средний равновероятный Р (равновероятное распределение), средний нормальный Н (нормальное распределение), легкий Л ( - распределение) и особо легкий Л_о ( - распределение).

В таблице 1.4 и на рисунке 1.18 изображена упорядоченная зависимость между нагружающими моментами и числом циклов нагружения в относительных координатах T/T_max и N_с/N_с.

Таблица 1.4 – Типовые режимы нагружения (ГОСТ 21354 –87)

Виды режимов нагружения	Функция распределения	Параметры функ- ции распределения
1) Тяжелый режим – интегральная функция - распределения	Ф(i)=	a=6; b=2 ср=0,77
2) Средний – равновероятный, интегральная функция равновероятного распределения	Ф(i)=	ср=0,5
3) Средний – нормальный, интегральная функция нормального распределения	Ф(i)=	ср=0,5; s=0,19
4) Легкий – интегральная функция  - распределения	Ф(i)=	а=2,2; b=3,0 ср=0,42
5) Особо легкий – интегральная функция - распределения	Ф(i)=	a=1,8; b=4,0 ср=0,31
Примечание. Коэффициенты: i= Тi / Tmax ; ср= Tср / Tmax, где Ti – текущий вращающий момент на ведущем элементе, соответствующий числу циклов нагружения Nсi; Тmax – максимальное значение вращающего момента; Tср – среднее значение вращающего момента.

Рисунок 1.18 – Типовые режимы нагружения (ГОСТ 21354 – 87): 0 – постоянный; 1 – тяжелый ; 2 – средний равновероятный;3 – средний нормальный; 4 – легкий ; 5 – особо легкий

Особенности циклограмм отражает коэффициент интенсивности , который характеризует интенсивность типового режима при базовом числе циклов N_lim.:

- для ступенчатой циклограммы

 =( Т_i / Т_max)³(N_ci/N_lim); (1.26)

- при плавном характере циклограммы (рисунок 2.19)

 = (1.27)

Соответствие режима нагружения механизма одному из типовых режимов устанавливается по подобию форм кривых и по среднему значению нагрузок. В расчетах следует принимать типовой режим наиболее близкий к фактическому в области больших нагрузок путем сравнения реальной циклограммы с типовыми или эквивалентными режимами нагружения.

Группы режимов работы механизмов по ГОСТ 25835–83, типовые режимы по ГОСТ 21354 – 87 и режимы по правилам Госгортехнадзора приведены в таблице 1.5

Таблица 1.5 – Соответствие групп режимов работы механизма

Режим эксплуатации по ГОСТ 21354–87	«0» непрерывный	«1» тяжелый	«2» средний равновероят-ностный	«3» средний нор-мальный	«4» легкий	«5» Особо легкий
Режим работы по ГОСТ 25835–83	6М	5М	4М	3М	2М	1М
Режим по правилам Госгортехнадзора	«ВТ» ПВ(%)= 63…100	«Т» ПВ(%)= 40…63	«Срв» ПВ (%)= 25…40	«Сн» ПВ (%)= 25…40	«Л» ПВ(%)= 16…25	«Ло» ПВ<16%

Эквивалентное число циклов нагружений определяется по формуле

N_Е=N_с. (1.28)

Этот параметр используют для установления эквивалентности реальных режимов типовым, а также для определения коэффициента долговечности К_L .

Коэффициент долговечности K_L устанавливает соответствие между базовым N₀ и эквивалентным числом циклов N_E нагружений

K_L =(N₀/N_E)^1/q. (1.29)

Характеристики режимов учитываются при расчетах на прочность конструкции.