Работоспособность - это состояние изделия, при котором оно способно выполнять свои функции, сохраняя значения заданных выходных параметров в пределах, установленных НТД.

Тема: Механизм и машина. Классификация машин.

Тема: Критерии работоспособности деталей машин. Контактная прочность деталей машин

Машины и их основные элементы

Человек создал машины для производства различных видов ра­бот или преобразования энергии. Современные машины обеспечи­вают резкое повышение производительности труда человека. На­пример, человек в течение длительного времени может развивать мощность не более 0,1 кВт, а мощность машин-преобразователей энергии (электрических генераторов) достигает 1200 МВт.

Любая машина состоит из двигательного, передаточного и испол­нительного механизмов. Например, у металлорежущего станка дви­гательным механизмом является электромотор, а у автомобиля -двигатель внутреннего сгорания; исполнительным механизмом (его также называют рабочим органом) у токарного станка является суппорт с режущим инструментом, а у автомобиля - колеса. Пере­даточные механизмы преобразовывают и передают движение от двигателя к рабочим органам. Так, в токарном станке движение от электродвигателя к суппорту, т.е. исполнительному механиз­му, передается через ременную передачу, коробку скоростей, ко­робку подач, ходовой винт и ряд зубчатых кинематических пар. В автомобиле функцию передаточных механизмов выполняют коробка скоростей и карданный вал. Таким образом, механизм -это внутреннее устройство машины, приводящее ее в действие.

Детали машин - это составные части машин и механизмов, каж­ дая из которых изготовлена без применения сборки (например, вал, шестерня, болт, шплинт, ходовой винт станка, гайка). Число де­талей в сложных машинах может измеряться десятками и сотнями тысяч. Например, в автомобиле более 15 тысяч деталей, в авто­матизированных комплексах прокатного оборудования - более миллиона.

В машине можно выделить совокупность совместно работаю­щих деталей, которые представляют собой конструктивно обособ­ленные единицы, объединенные одним назначением; эти сбороч­ные единицы называют узлами. Узлы одной машины можно изготавливать на разных заводах. Примерами таких узлов являются муфты, редукторы, электрошпиндели, шарикоподшипники.

Две подвижно соединенные детали образуют кинематическую пару. На рис.1.1 представлены соответственно низшие (а - враща­тельная; б - поступательная; в - винтовая) и высшая (г - зубчатая) кинематические пары.

Тела, образующие кинематическую пару, называются звеньями. Совокупность звеньев подвижно соеди­ненных кинематических пар называется ки­нематической цепью.

 На рис. 2 представ­лены кине-матические цепи, состоящие из пары зубчатых колес (рис. 2, а), а также  цилиндрических, конической и червячной пар (рис. 2, б). Если в кинематической 

        Рис.1                  цепи одно звено закреплено, то она

                                           является механизмом (рис.3).

В машиностроении при вычерчивании различных кинематиче­ских пар приняты условные обозначения, утвержденные ГОСТом 2.770-68*

Рис. 2

 Основные критерии работоспособности и

Расчета деталей машин

Объект рассмотрения в машиностроении называют изделием. Таковым может быть отдельная деталь, кинематическая пара, узел, машина или система машин. Каждое изделие характеризуется определенными выходными параметрами. Например, в соответ­ствии с нормативными техническими документами координатно-расточный станок с ЧПУ (т.е. машина в целом) должен иметь точность позиционирования 5 мкм. Если с течением времени и при обработке отверстия в корпусной детали на станке не дос­тигается заданная точность межосевых расстояний, то считает­ся, что станок потерял свою работоспособность, хотя он как машина функционирует. Такое заключение связано с тем, что выходной параметр станка (точность позиционирования) вышел за предел, установленный нормативно-технической документа­цией (НТД).

Работоспособность - это состояние изделия, при котором оно способно выполнять свои функции, сохраняя значения заданных выходных параметров в пределах, установленных НТД.

Детали машин должны сохранять эксплуатационные показате­ли и выполнять свои функции в течение заданного срока службы, а также должны иметь минимальную стоимость изготовления и эксплуатации.

Работоспособность изделий характеризуется определенными критериями. Важнейшими из них являются прочность, точность, жесткость, виброустойчивость, стойкость к тепловым воздействи­ям, износостойкость, надежность. По одному или по нескольким из них ведут расчет с целью определения размеров деталей машин и выбора материалов.

Прочность. Расчеты на прочность деталей машин осуществля­ют по допускаемым напряжениям, коэффициентам запаса проч­ности или вероятности безотказной работы.

Расчеты по допускаемым напряжениям наиболее просты и удобны, используются для машин массового производства, опыт эксплуатации которых значителен.

Прочность деталей, например, станков исключает аварийные ремонты из-за их поломки. Поэтому допускаемое напряжение статически нагруженных деталей рассчитывают по пределу теку­чести (для пластических материалов)

 

             ( 1 )

 

где nт = 1,1... 1,4 - коэффициент запаса, и по пределу прочности (для хрупких материалов)

 

            ( 2 )

 

где пв = 3... 4 – коэффициент запаса.

Прочность деталей, подвергающихся переменной нагрузке, рассчитывают с учетом факторов, влияющих на усталостную прочность, - концентрации напряжений, размеров деталей, состоя­ния поверхностного слоя. В этом случае допускаемое напряжение определяется в зависимости от предела выносливости σ r :

 

     ( 3 )

 

где п - коэффициент запаса;

εσ - коэффициент, учитывающий масштабный фактор

(влияние размеров детали);

β - коэффициент, учитывающий состояние поверхностных слоев;

kσ - коэффициент концентрации напряжений.

Для конструкций, разрушение которых особенно опасно для жизни людей (паровые котлы, грузоподъемные машины), метод расчета и выбор коэффициентов запаса прочности регламентиро­ван нормами государственного технического надзора.

Точность. Точность деталей машин включает точность формы и размеров отдельных участков детали, а также точность взаим­ного положения этих участков.

Точность обработки характеризуется значениями допущенных при обработке погрешностей, т.е. отступлением размеров обра­ботанной детали от заданных по чертежу. Погрешности обработ­ки должны находиться в пределах допусков. Кроме того, необхо­димо при обработке изделия получить заданную чистоту поверх­ности, которая непосредственно зависит от метода обработки и режимов резания. Точность машины будет в первую очередь зави­сеть от точности и чистоты поверхностей ее деталей. Однако при проектировании и изготовлении машин нужно учитывать и дру­гие факторы, которые могут снижать ее точность.

Рассмотрим металлорежущий станок. В координатно-расточном станке под влиянием усилий, возникающих при резании, узлы деформируются и изменяют свое относительное положение. В ре­зультате отжатий узлов станка под нагрузкой происходит иска­жение траекторий движения инструмента относительно заготовки. Точность обработки изделия при этом будет снижаться. Следова­тельно, на точность координатно-расточного станка (т.е. машины) оказывает влияние жесткость узлов. Кроме того, точность измери­тельных и отсчетных устройств этого станка, предназначенных для перемещения стола с изделием относительно инструмента, будет оказывать большое влияние на точность обработки. Следователь­но, и этот фактор будет влиять на точность станка.

Неточность обработки на станке может возникнуть в результа­те температурных деформаций узлов и деталей станка, а также вследствие снижения качества зубчатых колес и ходового винта, которое влияет на точность кинематической цепи станка. Особен­но это актуально для зуборезных станков, винторезных, зубо- и резьбошлифовальных. Кинематическая точность в зуборезных станках существенно зависит от точности изготовления и монта­жа червяка и червячного колеса в делительной цепи.

При конструировании других машин (автомобилей, самолетов, подъемных кранов) должны быть учтены конкретные факторы, которые могут снижать точность проектируемой машины.

Жесткость. Критерий жесткости в машинах является одним из важнейших. Особенно большое значение он имеет в станкострое­нии. Например, прецизионные станки приходится проектировать значительно более массивными, чем другие машины для тех же нагрузок и мощностей.

Жесткость станка влияет на точность обработки, виброустой­чивость и долговечность.

Жесткостью узла называется его способность сопротивляться появлению упругих отжатий под действием нагрузки. Она может быть определена как отношение силы F(H), приложенной к узлу в заданном направлении, к упругому отжатию этого узла δ (мм):

 

               ( 4 )

    

Износостойкость. В результате постепенного изменения по­верхностей трения при взаимодействии двух сопряженных дета­лей происходит износ. Изнашивание представляет собой про цесс постепенного уменьшения размеров и формы деталей. По статистике большинство деталей машин выходит из строя из-за износа. При износе в миниатюре происходят те же разрушения: пластические и упругие деформации, сдвиг, усталостные разру­шения.

Для большинства деталей наиболее характерен абразивный износ. Абразивные частицы могут попадать извне в смазку или непосредственно на трущиеся поверхности; за счет резания или царапания с отделением микростружки они разрушают эти по­верхности. Кроме того, при относительном перемещении двух поверхностей микровыступы испытывают переменные напряже­ния, вследствие чего в дальнейшем наступает усталостное разру­шение. Появляются микротрещины, что способствует отделению частичек материала. Таким образом, износ при перемещении двух поверхностей сопровождается абразивным износом за счет отде­лившихся частиц.

В большинстве случаев можно наблюдать три стадии износа (рис. 4):

I - период приработки; II - установившийся (или нор­мальный) износ;

III - катастрофический износ.

                               Рис.4

Период нормальной эксплуатации машин (II стадия износа) характеризуется линейной зависимостью между временем изна­шивания t и величиной износа - U (мкм). Скорость изнашивания - γ в этой стадии остается постоянной: γ = U / t . Для абразивного и усталостного износа величину износа можно определить по сле­дующей зависимости:

        ( 5 )

Где k - коэффициент, зависящий от материала пар трения, смаз­ки,

   микронеровностей и других факторов; 

   p - удельное давление;

  v отн - скорость относительного скольжения.

Исключив время t , получим

             ( 6 )

Для конкретных пар можно экспериментально определить ко­эффициент А: и в дальнейшем прогнозировать долговечность рабо­ты многих деталей: направляющих скольжения станков, кулисных механизмов, дисков фрикционных муфт, ходовых винтов и гаек скольжения.

Износ вызывает резкое удорожание эксплуатации машин в связи с необходимостью периодической проверки их технического со­стояния, а также ремонта. Это, в свою очередь, связано с простоями и снижением производительности машин.

Существуют следующие мероприятия по повышению износо­стойкости: смазка трущихся поверхностей; применение износо­стойких материалов; защита поверхностей от загрязнения; перенос усилий с ответственных механизмов на менее ответственные (на­пример, обтачивание наружной поверхности на токарном станке производят при включенном ходовом вале, а ходовой винт отклю­чают); введение разгрузки изнашиваемых поверхностей и др.

Стойкость к тепловым воздействиям. Работа машины сопрово­ждается тепловыделением, вызываемым рабочим процессом машин и трением в их механизмах. Тепловыделение, связанное с рабочим процессом, является особенно интенсивным у тепловых двигателей, электрических машин, литейных машин и машин для горячей об­работки материалов.

В результате теплового воздействия возникают температурные деформации, которые могут отрицательно влиять на работоспо­собность машин, а именно:

понижать защитную способность масляного слоя в трущихся поверхностях и, следовательно, вызывать повышенный износ или заедание;

изменять зазоры в подвижных соединениях;

понижать точность машин (например, в металлорежущих стан­ках в результате нагрева передней опоры шпинделя может про­изойти отклонение его оси, что приведет к снижению точности обработки).

Расчет температурных деформаций узлов машин может произ­водиться, если известны температурные поля в деталях машины.

При эксплуатации металлорежущих станков, контрольно-изме­рительных машин и другого прецизионного оборудования при­меняют следующие методы борьбы с температурными деформа­циями:

вынос механизмов с тепловыделением за пределы технологиче­ского оборудования (например, гидростанций и гидросистем);

использование смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зо­не резания металлорежущих станков;

принудительное охлаждение узлов;

создание термоконстантных цехов, в которых поддерживается постоянная температура;

выравнивание температурного поля путем искусственного по­догрева или охлаждения отдельных узлов;

автоматическая компенсация температурных деформаций - при­менение коррекционных линеек, использование предыскажения программы в станках с ЧПУ.

Виброустойчивость. Под виброустойчивостью понимают спо­собность конструкций работать в заданном диапазоне без недопу­стимых колебаний. В связи с увеличением скоростей машин коле­бания становятся все более опасными. Если частота собственных колебаний узлов машины совпадет с частотой вынужденных коле­баний, наступит резонанс. Это самое опасное состояние машины в целом, так как может произойти разрушение. Вибрации также нежелательны. В металлорежущем станке, например, вибрации ухудшают обрабатываемую поверхность, уменьшают долговеч­ность станка, ограничивают его технологические возможности. Основное распространение в машинах имеют вынужденные, пара­метрические колебания и автоколебания.

Вынужденные колебания возникают под действием внешней пе­риодически изменяющейся силы по следующим причинам:

дисбаланс вращающихся деталей (ротора электродвигателя, шпинделя с расточным резцом);

ошибка в зубчатых передачах (вход в зацепление будет сопро­вождаться ударом);

наличие прерывистой силы резания при фрезеровании, долб­лении, затыловании, протягивании;

наличие внешних источников колебаний.

Параметрические колебания возникают при наличии какого-либо переменного параметра, например момента инерции попе­речного сечения. Предположим, что на вращающийся вал дейст­вует постоянная сила. Если поперечное сечение вала - окруж­ность, у которой моменты инерции относительно всех осей оди­наковые, то никаких колебаний не возникает. Если же попереч­ное сечение - прямоугольник, то вал под действием постоянной силы будет прогибаться по-разному, так как моменты инерции у прямоугольника относительно взаимно перпендикулярных осей различны.

Автоколебания, или незатухающие самоподдерживающие ко­лебания, характеризуются тем, что возмущающие силы возникают в самом процессе колебания. При автоколебательном процессе в случае прекращения колебаний системы перестают существовать и переменные силы, поддерживающие эти колебания. Примером могут служить автоколебания при трении (фрикционные колебания при медленном перемещении столов, суппортов станка по направляющим скольжения). Причиной этих колебаний является переменность силы трения в зависимости от изменения скоростей. Другим примером автоколебаний являются самовозбуждающиеся колебания в металлорежущих станках при резании.

Повышение жесткости узлов машины будет способствовать снижению автоколебаний. Наличие колебаний в машине чаще всего сопровождается шумом. Шум связан с соударением движу­щихся деталей машин. Например, погрешности шага и профиля зубьев зубчатых колес приводят к соударению при входе в зацеп­ление. Повышенный уровень шума повышает утомляемость пер­сонала и, следовательно, вреден для здоровья. Уровень шума измеряется в децибелах (дБ), его предельное значение ограничи­вается санитарными нормами.

Основные меры борьбы с шумом: повышение точности и чис­тоты обработки, уменьшение силы удара конструктивными мето­дами, применение демпферов и материалов с повышенным внут­ренним трением.

Надежность. Проблема надежности является одной из основных проблем в машиностроении. Свойство изделия сохранять свою работоспособность в течение заданного промежутка времени, обус­ловленное безотказностью и долговечностью изделий, называется надежностью.

Известный авиаконструктор А.Н.Туполев говорил: «Чем даль­ше от доски конструктора обнаруживается ненадежность, тем она дороже обходится». Ненадежная машина не сможет эффек­тивно функционировать, так как каждая ее остановка из-за по­вреждения отдельных элементов или снижения технических характеристик ниже допустимого уровня влечет за собой мате­риальные убытки, а в отдельных случаях и катастрофические последствия.

Из-за недостаточной надежности промышленность несет ог­ромные потери. Так, за весь период эксплуатации затраты на ремонт и техническое обслуживание машин в связи с их износом в несколько раз превышают стоимость новой машины: для автомо­билей - до 6 раз, для самолетов - до 5, для станков - до 8, для радиотехнической аппаратуры - до 12 раз. Из-за коррозии еже­годно теряется до 10% выплавляемого металла.

Надежность закладывается при проектировании и расче­те машины. При изготовлении машины обеспечивается на­дежность; она зависит от качества изготовленных деталей, каче­ства сборки узлов машины, методов контроля и испытания гото­вой продукции и других показателей технологического процесса. При эксплуатации машины реализуется ее надежность.

Показатели безотказности и долговечности проявляются толь­ко при эксплуатации, зависят от условий использования машины, системы ее ремонта и технического обслуживания.

Безотказность - это свойство изделия непрерывно сохранять свою работоспособность в течение заданного периода времени. В это понятие не включается техническое обслуживание, ремонт, подналадка. Изделие должно сохранять свои начальные парамет­ры в допустимых пределах.

Долговечность - свойство изделия сохранять свою работоспо­собность в течение всего периода эксплуатации до предельного состояния. Здесь учитываются все ремонты, подналадки.

Полная или частичная утрата работоспособности изделий назы­ вается отказом. По своей природе отказы могут быть связаны с разрушением поверхностей или самих деталей (выкрашивание, износ, коррозия, поломки) или не связаны с разрушением (ослаб­ление предварительного натяга подшипников, засорение каналов). Отказы бывают полные или частичные, внезапные (поломки) или постепенные (изнашивание, коррозия), опасные для жизни человека или нет, устранимые и неустранимые.

Показатели безотказности и долговечности изделия определя­ются в соответствии с теорией вероятности. Вероятность безот­казной работы P ( t ) в течение заданного времени t (или заданной наработки) и вероятность отказа F ( t ) - взаимно противополож­ные события. Их сумма всегда равна единице. Вероятность безот­казной работы находится в пределах 0 < P ( t ) < 1. Например, за время t = 100 ч вероятность безотказной работы составляет P ( t ) = 0,99. Это следует понимать так: за указанное время работы из­делия вероятность отказа составит 1 %, т. е. F ( t ) = 0,01.

Основным показателем долговечности элемента изделия явля­ется срок службы (наработка) t до отказа.

При оценке надежности изделия очень важны экономические показатели. Повышение безотказности и долговечности машин связано с дополнительными материальными затратами.

Контрольные вопросы

1. Что такое надежность машины?

2. Что такое виброустойчивость узлов машины и как с ней бороться?

3. За счет чего обеспечивается стойкость к тепловым воздействиям в узлах деталей машин?

4. Как износостойкость влияет на эксплуатационные характеристики машины?

5. Что такое точность деталей машин ?

6. От чего зависит надежность машины?

7. Что называется деталями машин?


Дата добавления: 2021-05-18; просмотров: 187; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:




Мы поможем в написании ваших работ!