1.3. Работоспособность

деталей машин

Работоспособность — состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения задан­ных параметров в пределах, установленных технической докумен­тацией. Основными критериями работоспособности деталей ма­шин являются прочность, жесткость, износостойкость, виброус­тойчивость и теплостойкость.

Прочность — способность материала сопротивляться разруше­нию и появлению статических деформаций под действием внешних

Рис. 1.5. Кинематическая пара винт—гайка: 1 — гайка; 2 — винт

Рис. 1.6. Схема силового замыкания кинематической пары

сил. Это главный показатель работоспособности для большинства деталей машин.

В процессе эксплуатации машины под действием нагрузок при не­достаточной прочности деталей могут возникать остаточные дефор­мации и разрушения отдельных частей машины. Наиболее распро­страненный метод оценки прочности деталей машин — это сравне­ние расчетных (рабочих) напряжений, возникающих под действием нагрузок, с допускаемыми напряжениями.

Условие прочности рассчитываемой детали выражается неравен­ством

о< [а]

или

X * [х].

где а, [а] — соответственно рабочее и допускаемое нормальные на­пряжения; т, [т] — соответственно рабочее и допускаемое касатель­ные напряжения (расчет этих напряжений рассмотрен в гл. 3).

Во многих случаях остаточные деформации недопустимы, так как это может привести к нарушению взаимного сопряжения дета­лей машины, потере эксплуатационных функций, разрушению.

Прочность деталей машин рассматривается в связи со сроком их службы. Долговечность машин различного назначения неодинако­ва. Например, срок службы авиационного двигателя значительно меньше срока службы двигателей, применяемых в металлорежущих станках.

Задача обеспечения прочности состоит в том, чтобы определить размеры и формы деталей машин, исключающие возможность воз­никновения недопустимо больших остаточных деформаций, преж­девременных поломок и поверхностных разрушений.

Жесткость деталей — это их способность сопротивляться из­менению формы и размеров под действием нагрузок. Различают объемную и контактную жесткость деталей машин. При расчетах на объемную жесткость определяют перемещения, обусловленные деформациями всего материала детали, и сравнивают эти деформа­ции с допустимыми. При расчетах на контактную жесткость рас­сматривают перемещения, связанные только с деформациями по­верхностных слоев.

Износостойкость — свойство материала оказывать сопротив­ление изнашиванию. Большинство деталей подвижных сопряжений машин выходят из строя из-за износа. При износе деталей возмож­но снижение их прочности вследствие уменьшения сечений, воз­никновения шума (например, в зубчатых передачах металлорежу-

а 6 в

Рис. 1.7. Схема изнашивания зубьев зубчатых колес: а — возникновение трещин; б — рост трещин; в — разрушение зуба

щих станков). Износ деталей значительно повышает стоимость экс­плуатации машин в связи с необходимостью их периодической про­верки и ремонта. В зубчатых передачах, подшипниках качения при работе происходит усталостное изнашивание (выкрашивание). Это характерно для хорошо смазанных контактирующих поверхно­стей деталей машин, которые испытывают повторные контактные напряжения.

Рассмотрим усталостное изнашивание на примере изнашива­ния зубьев двух зубчатых колес (рис. 1.7). Усталостные микротре­щины на контактирующих поверхностях (рис. 1.7, я), возникающие под влиянием сил трения, начинают расти (рис. 1.7, б), что, в свою очередь, приводит к выкрашиванию отдельных частиц материала (рис. 1.7, в).

Рост микротрещин обусловлен проникновением смазочного материала в трещину под большим давлением.

Для деталей, работающих в запыленной среде, в условиях недо­статка смазочного материала, при работе всухую характерно абра­зивное изнашивание. В трущиеся контакты в процессе работы по­падают частицы песка, грязи, продукты изнашивания.

Адгезионно-механическое изнашивание возникает в местах контакта трущихся поверхностей в результате пластического дефор­мирования при сжатии и сдвиге. Возникают поверхностные связи (микросварка) с последующим вырыванием частиц материала, об­разованием наростов и царапин.

Износостойкость деталей обеспечивается следующим образом:

повышением твердости деталей;

• увеличением толщины слоя смазочного материала;

• выбором оптимальных параметров шероховатости поверх­ности;

• улучшением физико-химических свойств смазочного материала;

• защитой от загрязнений.

Расчет деталей на износ сводится либо к определению условий, обеспечивающих их жидкостное трение, либо к назначению допус­каемых давлений на трущиеся поверхности.

Виброустойчивостъ — способность конструкции работать в требуемом диапазоне режимов без недопустимых колебаний. Опас­ность вибрации состоит в том, что при определенных условиях они могут вызвать усталостное разрушение детали.

Вибрации шпинделей металлорежущих станков приводят к уве­личению шероховатости поверхности детали, увеличению износа ре­жущего инструмента. Вследствие колебаний деталей зубчатых пере­дач происходит усиление шума.

Способы предотвращения колебаний разнообразны: устранение внешних сил, которые вызывают опасные колебания; изменение ди­намических свойств системы (изменение моментов инерции масс и податливости соединений); применение специальных устройств — виброгасителей.

Теплостойкость — это способность деталей сохранять проч­ность в условиях высоких температур. В процессе эксплуатации машины в результате трения имеют место значительные потери мощности, сопровождаемые тепловыделением; кроме того, нагрев деталей может быть вызван притоком теплоты из внешней среды. При длительном действии высокой температуры в деталях машин возникает ползучесть, т. е. непрерывное пластическое деформиро­вание при постоянной нагрузке. Увеличение температуры выше до­пустимых норм приводит к изменению зазоров в подшипниках ка­чения и скольжения, изменению свойств трущихся поверхностей, уменьшению вязкости масла, что, в свою очередь, вызывает интен­сивное изнашивание и даже заклинивание подвижных частей ма­шины. Повышение теплостойкости деталей достигается примене­нием специальных материалов, а также принудительным охлажде­нием с помощью масла или воздуха.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные критерии работоспособности деталей машин.

2. Что такое прочность и каковы условия сохранения прочности?

3. Что такое жесткость детали? Назовите виды жесткости.

4. Что такое износостойкость детали? Каковы методы повышения износостойкости?

5. Перечислите виды и причины возникновения износа деталей.

6. Что называется виброустойчивостью? Приведите методы борьбы с вибрациями.

7. Что такое теплостойкость? В чем заключаются причины нагрева дета­лей машин? Каковы методы снижения тепловыделения?