1.6. Проектировочный и проверочный расчеты

Проектировочным расчетом называют определение основных разме­ров детали при выбранном материале по формулам, соответствующим главным критериям работоспособности (прочности, жесткости, изно­состойкости и др.). Этот расчет выполняют в тех случаях, когда раз­меры конструкции заранее неизвестны. Реальную конструкцию заменя­ют расчетной схемой; по существу неоднородный и несплошной ма­териал детали рассматривают как однородный и сплошной; идеализи­руют нагрузку, форму детали, опоры. Неточности расчета компенсируют коэффициентами запаса, которые каждая отрасль машиностроения рекомендует для конкретных деталей.

Проектировочный расчет является предварительным и упрощенным. Он необходим для определения размеров, без которых невозможна первая чертежная проработка конструкции.

Проверочным расчетом называют определение фактических характе­ристик главного критерия работоспособности детали или определение наибольшей допустимой нагрузки на деталь по допускаемым значени­ям главного критерия работоспособности. При проверочном расчете определяют фактические (расчетные) напряжения и коэффициенты запаса прочности, действительные прогибы и углы поворота сечений, температуру, ресурс при заданной нагрузке или допустимую нагрузку при заданных размерах и т. д.

Проверочный расчет является уточненным; его проводят, когда фор­ма и размеры детали определены из проектировочного расчета или приняты конструктивно, разработана технология изготовления (спо­соб получения заготовки, вид термообработки, качество поверхности и др.).

Расчеты и конструирование органически связаны. Конструированием называют творческий процесс создания чертежей механизма или ма­шины на основе проектировочных и проверочных расчетов. При раз­работке конструкции машины рассматривают различные варианты с целью получения оптимальной конструкции при наименьшей стоимо­сти ее изготовления и эксплуатации. Задачи оптимизации выполняют с применением ЭВМ (см. [4]).

Конструирование требует всестороннего анализа статистического материала, отражающего опыт проектирования, изготовления и эксплу­атации машин данного типа, а также требований современного маши­ностроения.

1.7 Основы триботехники узлов и деталей машин

Сопряженными или контактирующими называют соприкасающиеся непосредственно или через слой смазочного материала поверхности взаимодействующих деталей.

Изучением процессов взаимодействия контактирующих поверхно­стей при их относительном перемещении занимается наука, получив­шая название триботехника (от греч. tribos — тереть). Основная цель этого изучения — нахождение путей снижения трения и изнашивания.

Одним из основных понятий триботехники является внешнее тре­ние — явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей и сопровож­даемое рассеиванием энергии.

Взаимодействие контактирующих тел характеризуется механиче­скими, теплофизическими, физико-химическими и электромеханически­ми процессами, сопровождающимися изнашиванием деталей.

По наличию относительного движения различают:

трение покоя — трение двух тел при микросмещениях (например, за счет их деформаций) до перехода к относительному движению;

трение движения — трение тел, находящихся в относительном дви­жении.

Трению покоя присущи фреттинг-коррозия и окислительное изна­шивание, которые характерны для деталей соединений машин (соеди­нения с натягом, резьбовые, шлицевые, шпоночные).

При фреттинг-коррозии (от англ. to fret — разъедать) на небольших площадках постоянно контактирующих поверхностей образуются мел­кие углубления и продукты коррозии в виде пятен и порошка от светло- до темно-коричневого цвета. Продукты износа остаются в зоне контакта и превращаются в абразивные частицы.

При окислительном изнашивании контактирующие детали вступают в химическое взаимодействие с окружающей средой (например, воз­духом), что приводит к развитию коррозии и механическому изнаши­ванию.

По характеру относительного движения различают трение скольже­ния и трение качения. Трение движения, при котором скорости тел в точке касания различны по величине или направлению, называют трением скольжения. При равенстве скоростей в точках касания по величине и направлению трение движения называют трением качения.

Такие детали, как диски фрикционных муфт (см. рис. 30.17, а), резьбовая пара скольжения винт —гайка, тормозные колодки и др., которые работают в условиях трения скольжения, подвержены контак­тному схватыванию, водородному и абразивному изнашиванию.

Водородное изнашивание связано с выделением водорода при тре­нии контактирующих тел и разложении воды, нефтепродуктов или деструкции пластмасс. Присутствие водорода приводит к хрупкости поверхностей контакта материалов, появлению мелких трещин и об­разованию мелкодисперсного порошка материала.

Внешнее трение характеризуется силой трения — силой сопротивле­ния при относительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы. Сила трения направлена по касательной к общей границе между телами.

Параметром погруженности сопряженных поверхностей является давление q, приходящееся на единицу площади, а при отсутствии взаимных перемещений — напряжение смятия σ_см.

Основным кинематическим параметром является скорость скольже­ния v, т. е. скорость движения точки одной из сопряженных поверхно­стей относительно совпадающей с ней точки другой поверхности.

Для количественной оценки изнашивания и его результата — изно­са используют такие показатели, как интенсивность изнашивания и предельный износ.

Интенсивностью изнашивания J называют отношение толщины слоя И, снятого в результате изнашивания, к пути трения S (переме­щения точки, в которой определяется износ, относительно сопряжен­ной поверхности):

J=h/S.

Под предельным износом детали или узла понимают такой износ, по достижении которого дальнейшая эксплуатация неэкономична или недопустима.

Практически безызносные трущиеся пары с малым коэффициентом трения можно получить, реализуя в узле жидкостную смазку или исполь­зуя явление избирательного переноса.

При жидкостной смазке (см. § 28.7) поверхности деталей полностью разделены жидким смазочным материалом (слоем масла). Детали непо­средственно не соприкасаются и не изнашиваются. Коэффициент трения при этом определяется вязким трением жидкости и мал по величине (f= 0,005). Режим жидкостной смазки реализуют в подшипниках скольжения.

Избирательный перенос — физико-химический процесс образования и автоматического поддержания на поверхности трения защитной металлической пленки, значительно снижающей коэффициент трения и износ. Пленкообразующим материалом является, например, медь и ее сплавы (бронза, латунь). Из этих материалов может быть изготовле­на одна из деталей пары трения или пленкообразующая присадка смазочного материала, например медный порошок.

После первоначального образования на поверхностях деталей за­щитной пленки устанавливается режим избирательного переноса, т. е. в случае изнашивания или нарушения сплошности пленки происходит автоматическое ее восстановление.

Явление избирательного переноса успешно используют в узлах трения, работающих в экстремальных условиях: в вакууме, в агрессив­ных средах химической промышленности.

В настоящее время триботехнике уделяется большое внимание, так как для многих машин затраты на ремонт в связи с изнашиванием деталей за период их работы в несколько раз превышают стоимость новой машины.

Контрольные вопросы

1. Каково различие между механизмом и машиной?

1. Что следует понимать под деталью машины? Какие детали называют деталями общего назначения?

2. Какие основные требования предъявляют к машинам и их деталям?

2. Что следует понимать под надежностью машин и их деталей? Какими свойствами характеризуется надежность? Каково различие между ресурсом и сроком службы? По каким показателям оценивают надежность?

3. Каковы основные критерии работоспособности и расчета деталей машин?

4. Каково различие между проектировочным и проверочным расчетами?

3. Дайте определение таким понятиям триботехники, как внешнее трение, трение покоя и трение движения. Какие виды изнашивания характерны для них?