Основы проектирования машин / ГЛАВА 2.12

ГЛАВА 2.12. КРИТЕРИИ РАСЧЕТА МАШИН, МЕХАНИЗМОВ И КОНСТРУКЦИЙ

Процедура проектирования механической конструкции предусматривает определение основных геометрических размеров; кинематических, силовых и энергетических параметров; выбор материалов и т. д. По расчетным размерам в соответствии с правилами конструирования конструкция вычерчивается в целом и поэлементно, после чего отдельные ее детали могут быть подвергнуты дополнительному анализу с целью изменения и уточнения их характеристик.

Следует отметить, что процесс конструирования должен основываться на возможностях технологии. При таком подходе можно значительно снизить себестоимость проектируемого оборудования, особенно в случае применения автоматизированных систем сквозного проектирования типа CAE\CAD\CAM.

В дальнейшем каждая из деталей изготавливается, что существенно упрощается за счет использования станков с ЧПУ при автоматической подготовке управляющих программ. Изготовление заканчивается сборкой и комплексом производственных испытаний.

Совершенство конструкции, ее надежность, а также механические, энергетические, прочностные и другие характеристики закладываются на этапе конструирования, таким образом, от принятия правильных конструкторских решений во многом зависит качество работы и конкурентоспособность создаваемого механического оборудования. Этот факт заставляет при выполнении проекта использовать новейшие достижения практики конструирования, современные компьютерные средства и, конечно, знания, опыт и интуицию исполнителя.

Современное механическое оборудование состоит из нескольких десятков, сотен, а иногда и тысяч отдельных деталей. Каждая из них работает в определенных условиях внешнего нагружения, при определенном температурном режиме, определенным образом взаимодействует с другими деталями. Выполнять все необходимые расчеты такого большого числа деталей экономически не оправдано, а потому в качестве объекта всестороннего исследования выбирают наиболее нагруженные детали, которые являются самыми опасными с точки зрения выхода из строя как самих этих деталей, так и конструкции в целом.

Переходя к подробному описанию методов расчета конкретных деталей, прежде всего следует указать основные причины выхода их из строя.

Основные причины нарушения работоспособности. Выходные характеристики механического оборудования задаются в виде набора условий и ограничений, которым это оборудование должно удовлетворять. Такие условия и определяют критерии, по которым будет выполнен расчет проектируемой конструкции. Под критерием понимается условие, невыполнение которого приводит к выходу из строя оборудования либо к получению выходных параметров, отличных от предусмотренных заданием на проектирование.

Как указывалось ранее, все необходимые вычисления проводятся для моделей, работающих в заданных условиях. Очевидно, что достоверность прогнозируемого результата зависит от степени адекватности модели реально изготовленной конструкции и правильности выбора критериев расчета.

Критерии, по которым выполняется расчет, многообразны, но среди этого многообразия следует выделить группу главных, описание которых приводится ниже.

• Обязательным условием работоспособности оборудования в условиях статического нагружения является его прочность (по пределу прочности) либо отсутствие пластических деформаций (по пределу текучести). Расчет статической прочности сводится к определению коэффициентов запаса. Подробно условие статической прочности описано выше (главы 2.2 - 2.8). Здесь только еще раз отметим, что для проверки прочности необходимо выполнить расчет напряженного состояния конструкции, результаты которого можно представить в форме полей либо эпюр напряжений. Анализ напряженного состояния рассматриваемого изделия позволяет выявить те сечения или точки, в которых действуют наибольшие напряжения. Последующее сравнение полученных напряжений с известным из эксперимента допускаемым (предельным) напряжением для данного материала дает возможность судить о прочности данной детали

оборудования. Для проверки прочности при переменной нагрузке необходимо знать напряженное состояние исследуемого объекта, закон изменения внешней нагрузки и полное число циклов нагружения. Подробно расчеты этого типа описаны в главе 2.10.

• В отдельных случаях выход из строя оборудования может быть вызван малой жесткостью деталей. Для проверки этого условия необходимо иметь информацию относительно деформированного состояния элементов конструкции. Основываясь на этих данных, геометрические размеры деталей выбирают таким образом, чтобы условие жесткости было выполненным.

• Разрушение может произойти в случае потери устойчивости. Такие явления имеют место, если линейно протяженные элементы конструкции испытывают напряжение сжатия. Расчет на устойчивость сводится при этом к определению коэффициента запаса устойчивости (под которым понимается отношение критической сжимающей нагрузки к фактической силе, приложенной к телу), о чем подробно написано в главе 2.9.

•Если детали и узлы работают в условиях высоких температур, то они испытывают тепловое

расширение. При этом вследствие тепловых деформаций, как правило, снижается коэффициент полезного действия механизма, повышаются потери и даже возникает опасность заклинивания элементов, находящихся в относительном движении. В отдельных случаях тепловые процессы могут привести, например, к испарению жидкости, а также к необратимым химическим процессам в масляной пленке и т. д. Если при эксплуатации машины велика вероятность подобных последствий, то обязательным является определение рабочей температуры, которая не должна превышать предельных значений для данного материала.

• Причиной разрушения конструкции могут быть динамические нагрузки, величины которых зависят от частот собственных колебаний механической системы и частоты вынуждающей силы. Расчеты динамических характеристик механических систем необходимо выполнять для получения полной и достоверной картины их напряженного и деформированного состояния. Если исходные характеристики механической системы таковы, что в процессе ее эксплуатации внешние колебания значительно усиливаются, то их следует изменить.

• Кинематические проблемы при проектировании машин и механизмов, законы движения и расчет траекторий подвижных звеньев и т. д. зависят от вида механизма. Для каждого типа механизмов разработаны аналитические и численные методы. Кроме того, при решении кинематических задач целесообразно использовать компьютерные программы, которые позволяют выполнить весь набор необходимых вычислений для механизмов произвольной структуры.

• Геометрические расчеты, как правило, зависят от конкретных объектов и тех задач, которые необходимо решать.

Отметим, что расчеты напряженно - деформированного состояния, устойчивости, а также динамические расчеты и расчеты температурных полей можно выполнить гораздо эффективнее, применяя современные средства компьютерного моделирования. Кроме того, разработаны компьютерные программы и для прогнозирования долговечности деталей, работающих при переменном характере внешнего нагружения. Они менее точные, но ошибки, которые при таком расчете неизбежно появляются, можно скомпенсировать соответствующим выбором коэффициента запаса.

Трение и износ поверхностных слоев деталей при их относительном движении. Одними из основных причин выхода из строя машин можно назвать трение и износ. На этой проблеме ввиду ее важности следует остановиться подробнее.

При относительном перемещении тел, находящихся в контакте, имеет место трение. Под трением понимается сопротивление относительному перемещению контактирующих поверхностей. Трение сопровождается выделением (рассеянием ) энергии. Коэффициентом трения называется отношение силы трения к нормальной силе в контакте.

Сила трения, возникающая в процессе движения, препятствует ему. Кроме этого, она может вызывать разрушение поверхности. Процесс разрушения поверхности, вызванный трением, называется износом. Негативные явления, связанные с трением и износом, можно существенно уменьшить выбором подходящих материалов и использованием смазки.

Износ можно характеризовать, например, отношением объема материала, удаленного с поверхности в результате износа, к работе силы трения. Такая величина называется интенсивностью изнашивания. Очевидно также, что процесс изнашивания поверхности в сильной степени зависит от величины силы трения в контакте и, в частности, от коэффициента трения.

По физической природе различают следующие виды износа поверхности:

♦ Абразивный износ представляет собой механическое разрушение трущихся поверхностей, возникающее за счет режущего действия твердых частиц. Такой износ характерен для открытых участков механизмов и машин, работающих в среде, содержащей абразивные частицы (например, в горном, дорожном, строительном, сельскохозяйственном и другом подобном оборудовании).

♦ Адгезионный износ возникает в результате действия межповерхностных сил молекулярного сцепления. Под адгезией понимается слипание соприкасающихся поверхностей твердых либо жидких тел. Это наиболее распространенная форма износа. Поскольку процедура слипания происходит на молекулярном уровне, то исследования механизмов износа и возникающих при этом закономерностей представляет собой серьезную проблему.

♦ Износ, вызванный усталостным разрушением, имеет место в процессе взаимного касания двух или нескольких тел в результате их относительного движения. При таком варианте нагружения возникают переменные во времени местные контактные напряжения. Циклический характер этих напряжений увеличивает подвижность усталостных трещин, что приводит к укрупнению последних в поверхностных слоях. При определенных размерах трещина вызывает откол части металла с поверхности. Процесс разрушения поверхности в результате усталостных явлений называется выкрашиванием .

Как показали экспериментальные исследования, зарождение трещин начинается в точках, где касательные напряжения достигают наибольшей величины. Установлена также связь между наибольшим напряжением в

контакте σH и числом циклов N до начала процесса разрушения. По виду эта связь соответствует обычной

σHm N = const

материала. Для сталей и сплавов высокой твердости, а также многих полимерных материалов, предел усталостной прочности не обнаружен.

• Изнашивание при заедании. Такой тип износа поверхности, который по сути представляет собой процесс схватывания, глубинного вырывания материала и переноса его с одной трущейся поверхности на другую, является наиболее опасным. Изнашивание этого вида носит мгновенный характер и приводит к полному выходу узла трения из строя. Процесс протекания такого разрушения зависит от напряженно - деформированного состояния системы, кинематики относительного движения, состояния смазки, температуры в контакте и некоторых иных причин.

Перечисленные виды износа являются для механики машин наиболее значимыми, хотя их можно дополнить и другими видами, имеющими иную природу.

В заключении заметим, что процесс разрушения поверхности в результате трения представляется явлением достаточно сложным и на сегодняшний день не до конца изученным. К сожалению, надежных расчетных методов оценки величины износа не создано. По этой причине разработаны методики косвенной его оценки, которые рекомендуется использовать в том случае, когда критериями расчета является износ.