69916

Основные требования, предъявляемые к конструкции деталей машин

Лекция

Производство и промышленные технологии

Основные требования предъявляемые к конструкции деталей машин Совершенство конструкции детали оценивают по ее надежности и экономичности. Основные критерии работоспособности и расчета деталей машин Для того чтобы быть надежными детали прежде всего должны быть работоспособными...

Русский

2014-10-12

95.5 KB

7 чел.

ВВЕДЕНИЕ

Лекция 1.

Основные требования, предъявляемые

к конструкции деталей машин

Совершенство конструкции детали оценивают по ее надежности и экономичности. При этом под надежностью понимают вероятность безотказного выполнения определенных функций в течение заданного срока службы без внеплановых ремонтов. Экономичностью определяется стоимость материала, затратами на производство и эксплуатацию.

Основные критерии работоспособности и расчета

деталей машин

Для того чтобы быть надежными, детали, прежде всего, должны быть работоспособными, т.е. находиться в таком состоянии, в котором они могут выполнять заданные функции в пределах технических требований.

 Работоспособность деталей оценивают по прочности, износостойкости, жесткости, теплостойкости, вибрационной устойчивости.

 Прочность  является главным критерием работоспособности для большинства деталей. Непрочные детали не могут работать. Следует помнить, что поломки частей машины приводят не только к простоям, но и к несчастным случаям.

Различают статические и усталостные поломки деталей. Статические поломки происходят тогда, когда величина рабочих напряжений превышает предел статической прочности материала В. это связано обычно со случайными перегрузками, не учтенными при расчетах, или со скрытыми дефектами деталей (раковины, трещины и т.п.). Усталостные поломки вызываются длительным действием переменных напряжений, величина которых превышает  характеристики усталостной прочности материала (например, -1).

Усталостная прочность деталей значительно понижается при наличии концентраторов напряжений, связанных с конструктивной формой детали (галтели, канавки, резьбы и т.п.) или с дефектами производства (царапины, трещины и пр.).

В курсе деталей машин общие законы расчетов на прочность рассматривают в приложении к конкретным деталям и придают им форму инженерных расчетов. В инженерных расчетах большое внимание уделяют выбору расчетных схем и величин допускаемых напряжений (запасов прочности).

 Неправильное назначение запаса прочности может привести к разрушению детали или к завышению веса конструкции и к перерасходу материала.

Факторы, влияющие на величину необходимого запаса прочности конкретной детали, весьма многочисленны и разнообразны: степень ответственности детали, однородность материала и надежность его испытаний, точность расчетных формулы определения расчетных нагрузок, влияние технологии изготовления детали, сборки узлов и т.д.

В каждой отрасли машиностроения, основываясь на своем опыте, вырабатывают свои нормы прочности для конкретных деталей.

Кроме обычных видов разрушения (поломок) деталей, в практике наблюдаются случаи разрушения их поверхности. Последние связаны с контактными  напряжениями.

Контактные напряжения возникают в месте соприкасания двух деталей в тех случаях, когда размеры площадки касания малы по сравнению с размерами деталей (сжатие двух шаров, шара и плоскости, двух цилиндров и т.п.)*

Если величина контактных  напряжений больше допускаемой, то на поверхности деталей появляются вмятины, борозды, трещины или мелкие раковины. Подобные повреждения наблюдаются, например, у фрикционных, зубчатых, червячных и цепных передач, а также в подшипниках качения.

При расчете величины контактных напряжений различают два характерных случая:

а) первоначальный контакт в точке (два шара, шар и плоскость);

б) первоначальный контакт по линии (два цилиндра и параллельными осями, цилиндр и плоскость.

При вращении цилиндров под нагрузкой отдельные точки их поверхностей периодически нагружаются и разгружаются, а контактные напряжения в этих точках изменяются по прерывистому пульсационному циклу (рис. 1.1г). Каждая  точка нагружается только в период прохождения зоны контакта и свободна от напряжений в остальное время оборота цилиндра.

Переменные контактные напряжения вызывают усталость поверхностных слоев деталей. На поверхности образуются микротрещины с последующим выкрашиванием мелких частиц металла. Если детали работают в масле, оно проникает в микротрещины (рис. 1.1,а). Попадая в зону контакта  (рис. 1.1.б), трещина закрывается, а заполняющее ее масло подвергается высокому давлению. Это давление способствует  развитию трещины до тех пор, пока не произойдет выкрашивание частицы металла (рис. 1.1в). Выкрашивания не наблюдается, если величина контактных напряжений не превышает допускаемой.

Рис.1.1

Износ – процесс постепенного уменьшения размеров деталей в результате трения. При этом может изменяться и форма деталей.

Износ деталей не должен превышать некоторой допустимой для данной машины величины.

Различают несколько видов изнашивания деталей: абразивный износ, износ при заедании, износ при коррозии и др.

Для повышения износостойкости деталей широко используют смазку трущихся поверхностей, применяют антифрикционные материалы, специальные виды химико-термической обработки поверхностей и т.д.

Износостойкость деталей машин существенно понижается при наличии коррозии, которая нарушает химическую однородность материала и увеличивает шероховатость поверхности детали. Коррозия является причиной преждевременного разрушения многих машин и конструкций.

Для защиты от коррозии применяют антикоррозийные покрытия или изготовляют детали из специальных коррозийно-устойчивых материалов. При этом особое внимание уделяется деталям, работающим в присутствии воды, пара, кислот, щелочей и т.д.

Жесткость наряду с прочностью является одним из основных критериев расчета. Во многих случаях именно по условиям жесткости определяют размеры деталей.

Расчет на жесткость предусматривает ограничение упругих деформаций деталей в пределах, допустимых для конкретных условий работы. Такими условиями могут быть, например:

а) условия работы сопряженных деталей (правильность зацепления двух зубчатых колес нарушается при больших прогибах валов; изогнутый вал может заклиниться  в подшипнике  и т.д.);

б) технологические условия (точность и производительность обработки на металлорежущих станках в значительной степени определяются жесткостью станка и детали и т.д.).

Теплостойкость – нагрев деталей машин может вызвать следующие вредные последствия:

1) понижение прочности материала и появление ползучести. Ползучесть материала наблюдается главным образом в энергетических машинах с очень напряженным тепловым режимом (в газовых турбинах);

2) понижение защищающей способности масляных пленок, а следовательно, увеличение износа деталей;

3) изменение зазоров в сопряженных деталях (заклинивание, задиры и пр.);

4) в некоторых случаях понижение точности работы машины.

Виброустойчивость – вибрации вызывают дополнительные переменные напряжения и, как правило, приводят к усталостному разрушению деталей.

О выборе материалов для изготовления деталей машин.

Выбор материалов является ответственным этапом проектирования. Правильно выбранный материал в значительной мере определяет качество детали и машины в целом.

Выбирая материал, учитывают в основном следующие факторы:

1) соответствие свойств материала главному критерию работоспособности (прочность, жесткость. Износостойкость и др.);

2) весовые и габаритные требования к детали и машине в целом;

3) другие требования, связанные с назначением детали и условиями ее эксплуатации (противокоррозионная стойкость, фрикционные свойства, электроизоляционные свойства и т.д.);

4) соответствие технологических свойств материала конструктивной форме и намечаемому способу обработки детали (штампуемость, свариваемость, литейные свойства, обрабатываемость на станках и т.д.);

5) стоимость и дефицитность материала.

Для изготовления деталей машин применяют различные материалы.

 Черные металлы, подразделяемые на чугуны и стали, имеют наибольшее распространение. Это объясняется, прежде всего, их высокой прочностью и жесткостью, а также сравнительно невысокой стоимостью.

Основными недостатками черных металлов являются большой удельный вес и слабая коррозионная стойкость.

 Цветные металлы – медь, цинк, свинец, олово, алюминий и некоторые другие применяют главным образом в качестве составных частей сплавов (бронз, латуней, баббитов, дюралюминия и т.д.). Эти металлы значительно дороже черных и используются для выполнения особых требований: легкости, антифрикционности, антикоррозионности и др.

 Неметаллические материалы – дерево, резина, кожа, асбест, металлокерамика и пластмассы – находят в машиностроении широкое применение.

 Пластмассы являются материалами, широко применяющимися в современном машиностроении.

Общим для всех пластмасс является способность формоваться вследствие пластических деформаций при сравнительно невысоких температурах и давлениях. Это позволяет получать из пластмасс изделия почти любой сложной формы высокопроизводительными методами: литьем под давлением, штамповкой, вытяжкой, выдуванием и т.д.

Вторым преимуществом пластмасс, которое следует подчеркнуть, является сочетание легкости и высокой прочности, характеризуемое отношением В/ и называемое удельной прочностью. По этому показателю некоторые виды пластмасс могут успешно конкурировать с лучшими сортами стали и дюралюминия.

Высокая удельная прочность позволяет широко использовать пластмассы в конструкциях, вес, которых имеет особо важное значение (авиация, автомобилестроение и т.д.).

Отрицательным, пока еще не устраненным, свойством пластмасс является склонность их к так называемому старению. Старение сопровождается постепенным изменением механических характеристик и даже размеров деталей в процессе эксплуатации.

Замечания по вопросам расчета деталей машин

Условия работы деталей машин часто бывают столь разнообразными и сложными, что их не всегда удается проанализировать и облечь в форму точного расчета. Поэтому в деталях машин широко применяют расчеты по приближенным формулам, а в некоторых случаях и по эмпирическим зависимостям.

Большое значение для приближенных расчетов имеет правильный выбор расчетной схемы, умение оценить главные и отбросить второстепенные факторы.

Неточность большинства расчетов на прочность принято компенсировать за счет допускаемых напряжений.

В курсе деталей машин встречаются две формы расчета – проектная и проверочная.

 Проектный расчет – расчет, выполняемый при проектировании детали (машины) в целях определения ее размеров, материала и пр.

 Проверочный расчет – расчет известной конструкции, выполняемый в целях проверки или определения норм нагрузки, срока службы и пр.

При проектном расчете число неизвестных обычно превышает число расчетных уравнений. Поэтому многими величинами задаются, принимая во внимание опыт и рекомендации.

Об определении расчетных нагрузок

При расчетах деталей машин  различают расчетную и номинальную нагрузку. Расчетную нагрузку, например крутящий момент Тр, определяют как произведение номинального момента Т на динамический коэффициент режима работы К:

.     (1)

Номинальный момент соответствует паспортной (проектной) мощности машины.

Коэффициент К учитывает дополнительные динамические нагрузки, связанные в основном с неравномерностью движения, пуском и торможением. Величина этого коэффициента зависит от типа двигателя, привода и рабочей машины.

О надежности машины

 Надежность – это вероятность безотказной работы в течение заданного срока службы в определенных условиях. Под заданным сроком службы понимается время до первого планового ремонта или между плановыми ремонтами.

Надежность можно определять для машины в целом или для отдельных ее агрегатов, узлов и деталей. Расчет надежности базируется на статистических данных.

Согласно теории вероятности коэффициент надежности сложного изделия выражают произведением коэффициентов надежности отдельных составляющих элементов.

   (2)

Формулу (2) используют для расчета надежности при проектировании машин. При этом величины Ri для отдельных деталей берут из каталога (например, подшипники качения), определяют расчетом или специальными испытаниями.

Анализируя формулу (2), можно отметить следующее:

1. Надежность сложной  системы всегда меньше надежности самого ненадежного элемента, поэтому важно не допускать в систему ни одного слабого элемента. Желательно, чтобы система состояла из равнонадежных элементов.

2. Чем больше элементов имеет система, тем меньше ее надежность. Если, например, система включает 100 элементов с одинаковой надежностью Ri=0,99, то надежность системы R=0,99100≈0,37. Такая система, конечно, не может быть признана работоспособной, так как она будет больше простаивать, чем работать.

На рис. 1.2 изображен график интенсивности отказов изделия в функции времени эксплуатации.

Интенсивность отказов - это число отказов, приходящееся на единицу времени* (* Величина, обратная интенсивности отказов m=1/, называется средней наработкой на отказ). Например, испытывали 1000 изделий в течение 1000 часов каждое, из них 10 отказало. Находим

График надежности имеет три характерные зоны. Первая зона от 0 до tппериод приработки. В начале этого периода интенсивность отказов имеет сравнительно высокие значения, затем снижается. Для периода приработки характерно проявление различного рода дефектов производства.

Рис. 1.2

Вторая зона от tп до tи период нормальной эксплуатации  - характеризуется примерно постоянным значением интенсивности отказов. Причиной отказов здесь являются случайные перегрузки, а также скрытые дефекты производства, не проявившиеся в период приработки. К таким дефектам относятся, например, структурные дефекты материала, микротрещины и т.п.; вследствие этих дефектов снижаются усталостная прочность и износостойкость деталей.

Третья зона t > tипериод проявления физического износа – характеризуется резким повышением интенсивности отказов. В этот период различные виды физического износа (абразивный износ, усталость материала и пр.) достигают таких значений, которые приводят к разрушению деталей или к нарушению нормальной работы машины. Машина требует очередного ремонта.

Рассмотрим далее основные пути повышения R или уменьшения .

Основы надежности закладываются конструктором при проектировании изделия.

Вторым, не менее важным, этапом, обеспечивающим надежность, является производство конструкции.

Рассмотрим дополнительно некоторые вопросы, имеющие общее значение в смысле надежности.

1. Надежность изделий тесно связана с их долговечностью. Изделия, долговечность которых меньше заданного срока службы, не могут быть надежными.

2. Одним из простейших и эффективных мероприятий по повышению надежности является уменьшение напряженности деталей (повышение запасов прочности). Однако это требование надежности вступает в силу в противоречие с требованиями уменьшения габаритов и веса изделий. Для применения этих противоречивых требований рационально использовать высокопрочные материалы и упрочняющую технологию: легированные стали, термическую и химико-термическую обработку, наплавку твердых и антифрикционных сплавов на поверхность деталей, поверхностное упрочнение путем дробеструйной обработки или обработки роликами и т.п*.   Так, например, путем термической обработки можно увеличить нагрузочную способность зубчатых передач в 2 – 4  раза.    Хромирование шеек коленчатого вала автомобильных двигателей увеличивает срок службы по износу в 3 – 5 и более раз. Дробеструйный наклеп зубчатых колес, рессор, пружин и пр. повышает срок службы по усталости материала в 2 – 3 раза.

3. Эффективной мерой повышения надежности является также хорошая система смазки: правильный выбор сорта масла, рациональная система подвода смазки к трущимся поверхностям, защита трущихся поверхностей от абразивных частиц (пыли и грязи) путем размещения изделий в закрытых корпусах, установки эффективных уплотнений и т.п.

4. Статически определимые и самоустанавливающиеся системы более надежны. В этих системах меньше проявляется вредное влияние дефектов производства на распределение нагрузки.

5. Если условия эксплуатации таковы, что возможны случайные перегрузки, в конструкции следует предусматривать предохранительные устройства (предохранительные муфты или реле максимального тока). Для уменьшения вредного влияния динамических нагрузок устанавливают упругие связи (упругие муфты).

6. В целях уменьшения отказов за счет дефектов производства все детали необходимо тщательно контролировать. Практика показывает, что специализация и автоматизация производства повышают качество и однородность изделий. Поэтому следует шире применять унифицированные детали массового производства. ГОСТы и нормали вырабатывают на основе глубоких исследований и большого опыта. По этому использованию стандартных элементов конструктор должен уделять большое внимание.

7. В некоторых изделиях, преимущественно в электронной аппаратуре, для повышения надежности применяют не последовательное, а параллельное соединение элементов и так называемое  резервирование. Одним из примеров оправданного применения параллельного соединения могут служить двух- и четырехмоторные самолеты. Четырехмоторный  самолет не терпит аварии при отказе одного или даже двух  моторов.

8. Для многих машин большое значение, в смысле надежности, имеет так называемая ремонтопригодность.

Перечисленные факторы, определяющие надежность, позволяют сказать, что надежность является основным показателем качества изделия. По надежности изделия можно судить как о качестве проектно-конструкторских работ, так и о качестве производства.

PAGE  7


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

66656. Процедура и методы оценки качества услуг 71.5 KB
  По физико-статистическим признакам и процедурам методы контроля и оценки качества подразделяют на пять групп: инструментальный, органолептический, модельно-расчетный, экспертный и социологический. В силу неосязаемости и несохраняемости услуг наибольшее распространение получили методы, относящиеся к последним трем группам.
66657. Методы управления качеством в процессе обслуживания 44 KB
  Метод диаграммного проектирования или структурирования сервисного процесса был предложен американским консультантом Линн Шостак. В сфере услуг потребительские выгоды и само удовлетворение требований потребителей в основном происходят в момент двухстороннего взаимодействия покупателя и продавца в процессе оказания услуги.
66658. Управление качеством туристско-экскурсионных услуг 59 KB
  Предоставлением туристских услуг занимаются организации двух видов тур-операторы и тур-агентства. Они приобретают туристские продукты места в самолетах номера в гостиницах и другие услуги формируют пакеты услуг туризма и продают их прямо или косвенно...
66659. Потребительские свойства услуг 62 KB
  Показатели назначения услуг характеризуют набор свойств услуги определяющий качество выполнения функций для которых она предназначена. Эта группа показателей делится на четыре подгруппы: показатели применения; показатели совместимости; показатели предприятия...
66661. Иннокентий Петрович Герасимов 122.5 KB
  Каждый ученый-почвовед творец. Почвоведу как ни кому другому нужно уметь слушать и слышать природу. Недостаточно ограничиться только своим объектом почвой и недостаточно будет сухих лабораторных данных сколь информативными они бы ни были. И не зря здесь говорится именно ...
66662. Классицизм в архитектуре Москвы 851.12 KB
  Как определенное направление сформировался во Франции, в XVII веке. Французский классицизм освобождал человека от религиозно-церковного влияния, утверждая личность как высшую ценность бытия. Русский классицизм не просто воспринял теорию западноевропейскую...