Критерии работоспособности и расчета деталей машин

Детали машин выходят из строя по различным причинам, которые определяются условиями эксплуатации деталей. Причины отказа отдельных деталей передач, соединений и т. п. называют критериями работоспособности. Различают следующие основные критерии работоспособности.

Прочность – способность детали выдерживать приложенные нагрузки без разрушения – является обязательным и важнейшим критерием работоспособности деталей машин. Рассматривается прочность по характеру нагрузок: статическая, усталостная и ударная.

Различают следующие виды нагрузок в машинах.

Постоянные нагрузки, действующие в машинах, например, силы начальной затяжки винтов, весовые, давление жидкости или газа в стационарно работающих машинах.

Переменные нагрузки с постоянной амплитудой – в стационарно работающих машинах.

Переменные нагрузки с переменной амплитудой – в нестационарно работающих машинах.

Переменные нагрузки со случайными амплитудами, вызываемые воздействиями природных факторов, порывами ветра, ударами волн, случайными колебаниями оснований, случайными неровностями дороги, неоднородностями обрабатываемой среды, воздействием рабочих процессов, в том числе тяговой силы реактивных летательных аппаратов.

Ударные нагрузки в машинах ударного действия или других машинах вследствие погрешностей изготовления.

Предварительные расчеты на прочность обычно выполняют по допускаемым номинальным напряжениям. Соответствующие расчеты деталей отражают характер изменения напряжений, концентрацию напряжений, влияние размеров, шероховатость и упрочнение поверхности.

Жесткость – способность деталей сопротивляться изменению формы под действием сил. Жесткость определяется собственными упругими деформациями деталей, которые находят по формулам сопротивления материалов, и контактными деформациями, определяемыми при начальном контакте деталей по линии или в точке по формулам Герца, а при начальном контакте по площади – с помощью экспериментальных коэффициентов.

Износостойкость – способность материала деталей оказывать сопротивление изнашиванию. Износостойкость определяется видом трения (скольжения или качения), смазыванием, режимом трения (жидкостным, полужидкостным, граничным или сухим) и уровнем защиты от загрязнений. Износостойкость актуальна в связи с тем, что 90 % деталей выходят из строя по износу.

Виброустойчивость – сопротивление появлению в машинах вредных динамических нагрузок в виде вынужденных колебаний и автоколебаний (колебаний, вызываемых ими самими, например, при трении, резании и т. п.)

Теплостойкость – способность деталей сохранять работоспособность в машинах с большим выделением тепла в рабочем процессе (тепловые и электрические машины, машины для горячей обработки металлов). Теплостойкость ограничивает работоспособность машин в результате понижения прочности материала при нагреве, снижения несущей способности масляного слоя в трущихся парах и снижения точности в результате температурных деформаций. Температурные деформации лопаток турбин могут вызвать выборку зазоров и аварию машины.

Коррозионная стойкость – сопротивление металлов химическому или электрохимическому разрушению поверхностных слоев и коррозионной усталости. Коррозионная стойкость определяется сроком службы машин в коррозионной среде. Средства борьбы – специальное легирование или покрытия.

Точность – свойство машин работать в заданных пределах возможных отклонений параметров, например размеров. Точность – один из важнейших показателей качества деталей машин, влияющий на работоспособность и надежность машин и механизмов.

Точность диктуется требуемой точностью рабочего процесса машины и нормальной работой механизмов. Точность влияет на скорость машин и их деталей, в том числе и на скорость транспорта.

Надежность машин

Надежность – это свойство объекта выполнять в течение заданного времени (или заданной наработки) свои функции, сохраняя в заданных пределах эксплуатационные показатели. Надежность изделий обусловливается их безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью.

Роль надежности машин непрерывно возрастает, что связано с повышением сложности, напряженности и быстроходности машин, расширением объектов совместной автоматизации (от простого механизма до автоматизированного цеха).

Стандартизация

Стандартизация играет большую роль в развитии человечества. Если бы не было стандартизации, то при проектировании новой машины пришлось бы большую часть деталей машин (болты, подшипники качения и др.) изготовлять в индивидуальном или мелкосерийном производстве. Вместо испытаний материалов стандартных марок потребовалось бы гораздо больше испытаний, что осложнило бы кооперацию между предприятиями, отраслями и странами. Стандартизация принципиально сокращает необходимый типаж машин и других изделий.

Распространение стандартизации на группы машин потребовало разработки типажа машин с взаимной увязкой их основных параметров (в частности, мощности электродвигателей, грузоподъемности грузовых автомобилей и т. п.).

Широкое развитие стандартизации нашло свое место в конструировании оружия.

Стандарты разделяются на международные (ИСО), государственные (ГОСТ) и ведомственные. К настоящему времени на продукцию общемашиностроительного применения разработаны сотни стандартов.

Принципиальным положением стандартизации являются предпочтительные числа и ряды. Они существенно сокращают число оригинальных деталей или их параметров.

Предпочтительные числа – это ряд чисел геометрической прогрессии (а – первый член ряда нулевого номера; k – порядковый номер) со знаменателем , где n принимает значения 5, 10, 20, 40. Соответственно обозначают ряды чисел R5, R10, R20, R40 ( = 1,6; 1,5; 1,12; 1,06).

Агрегатирование в машиностроении – это построение машин из нормализованных целевых агрегатов, узлов и деталей, связанных в единую систему и изготовляемых централизованно. Агрегатирование широко распространено в станкостроении, особенно для многошпиндельных сверлильных и расточных станков.

Сертификация машин – это проверка и удостоверение их показателей, гарантирующих качество. Обязательная сертификация машин производится в соответствии с требованиями стандартов, которые проиллюстрируем на примере металлорежущих станков, имеющих большое число типов и их модификаций. Это безопасность конструкций, электробезопасность, электромагнитная совместимость, уровень шума и вибраций, содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны, эргономические параметры и энергоэффективность.

Работу по сертификации машин возглавляет ГОССТАНДАРТ РФ, а проводят ее органы по сертификации отраслевых НИИ с привлечением промышленных предприятий и вузов.

Кроме системы сертификации РФ существует международная система сертификации, которая проверяет соответствие показателей объектов международным нормам.

Машиностроительные материалы

Материалы деталей обычно выбирают соответственно основному критерию работоспособности (в частности, основному виду нагрузки) и требованиям технологичности и экономики.

Металлы и их сплавы. По критерию прочности преимущественно применяют закаливаемые и улучшаемые стали, по критерию жесткости — нормализуемые и улучшаемые стали.

При основных отказах по контактной прочности применяют стали, закаливаемые по поверхности до высокой твердости HRC3 57-62.

При средних значениях общих напряжений и сложных геометрических формах применяют литейные сплавы (чугуны, силумины и др.) в основном без термообработки.

При скольжении под давлением чаще применяют материалы возможно повышенной твердости в паре с антифрикционными материалами (в подшипниках и направляющих) или в паре с фрикционными материалами, имеющими повышенное трение (в фрикционных муфтах и тормозах).

Стали, сплав железа с углеродом до 0,5 %, обладают высокой прочностью, способностью к легированию, термической и химико-термической обработке. Стальные детали эффективно изготовляют всеми технологическими методами: давлением (прокаткой, ковкой, прессованием), литьем, резанием, шлифованием и сваркой.

Применяют углеродистые стали обыкновенного качества, обозначаемые Ст и номером в порядке повышения прочности (например СтЗ и Ст5); стали углеродистые качественные, обозначаемые сотыми долями процента содержания углерода (например, 15 и 45); и стали легированные, дополнительно обозначаемые первыми буквами названия легирующего элемента и процентами их содержания (если они больше 1 %), например, 12ХНЗ означает, что сталь содержит 0,12% углерода, до 1 % хрома и 3 % никеля.

Обозначения легирующих элементов: В – вольфрам, Г – марганец, М – молибден, Н – никель, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Ю – алюминий.

Механические свойства некоторых сталей (ав – предел прочности, ат – предел текучести, а_] – предел усталости) приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1 Механические свойства некоторых сталей

Марка стали	Термообработка	ств, МПа	от, МПа	<т_,, МПа
5	Нормализация	520	280	220
45	Нормализация Закалка ТВЧ	590 880	315 635	255 390
65Г	Закалка, отпуск	1470	1270	580
12ХНЗА	Цементация; закалка с низким отпуском	930	735	490
30ХГСА	Улучшение Закалка с низким отпуском	910 1660	765 1560	440 570

Детали механизмов изготовляют в основном из легированных и среднеуглеродистых сталей, большие металлические конструкции транспортных машин, размеры которых определяются прочностью, а также жесткостью, изготовляют из низколегированных или низкоуглеродистых сталей.

Чугун — сплавы железа с углеродом, содержание которого более 2,2 %. Выплавляют серые чугуны СЧ 10, 15, 20, 25, 30, 35 и чугуны повышенной прочности с шаровидным графитом ВЧ 35, 40, 45, 50, 60, 70. Числа в обозначениях марок — это временное сопротивление на растяжение в декопаскалях. Применяют также белые и отбеленные чугуны, обладающие повышенной твердостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью.

Чугун используют для отливок корпусных деталей: станин, стоек, плит, коробок. В стационарных машинах, в частности в металлорежущих станках, он занимает ведущее место.

Легкие сплавы на основе алюминия или магния имеют плотность не более 3,5 кг/см3, высокую удельную прочность. Их подразделяют на литейные и деформируемые. Алюминиевые сплавы делятся на силумины (алюминий с кремнием, например АЛ4) и дюралюмины (алюминий с медью и марганцем, например МЛ5). Алюминиевые сплавы применяют для быстровращающихся и движущихся с большим ускорением деталей, в быстроходных транспортных машинах, а также для корпусных деталей, а в самолетах для несущих элементов.

Сплавы на основе магния широко применяют в авиационной технике.

Сплавы цветных металлов. Бронза – сплавы на основе меди обладают высокими антифрикционными свойствами, сопротивлением коррозии и технологичностью. Наилучшие антифрикционные свойства у оловянистых бронз, в частности БрОЮНФ. Свинцовистые бронзы вследствие их низкой твердости применяют только в виде покрытий, они требуют повышенной твердости и качества сопряженной трущейся поверхности. Алюминиевые бронзы с добавкой железа применяют при малых скоростях скольжения и повышенных давлениях при закаленных сопряженных поверхностях.

Баббиты – высококачественные, хорошо прирабатывающиеся антифрикционные сплавы меди с мягкими металлами (оловом, свинцом, кальцием).

Латуни – сплавы меди с цинком, характеризуются высоким сопротивлением коррозии, электропроводностью, хорошей технологичностью, применяются для изготовления арматуры, труб, гильз патронов.

Пластические массы – материалы на основе высокомолекулярных органических соединений, обладающие в некоторой фазе своего производства пластичностью, позволяющей формовать изделия нужной конфигурации. Кроме основы, служащей связующим компонентом, многие пластмассы имеют наполнитель для повышения механических свойств.

Применение пластмасс росло быстрыми темпами, что объяснялось их технологическими свойствами, практически неограниченными запасами сырья, а также многообразием физико-технических свойств. Технологические достоинства: малая трудоемкость изделий, малые отходы и т. д.

По назначению пластмассы подразделяют на конструкционные, электро- и радиотехнические, звуко- и теплоизоляционные, антикоррозионные.

По природе смол пластмассы подразделяют на термореактивные и термопластичные. Термореактивные пластмассы в процессе изготовления под действием высокой температуры меняют свойства, становятся неплавкими (текстолит, гетинакс, древесно-слоистые пластики, стеклопласты, фенопласты, во-локнит).

Термопластичные пластмассы, размягчающиеся при высоких температурах, пригодны для повторного формования (полиэтилен, полипропилен, винипласт, фторопласты, полиамиды, полиформальдегиды, полиуретаны, эпоксидные полимеры, поликарбонаты).

Пути экономии материалов при конструировании

Выбор оптимальных схем механизмов и узлов. Например, замена многоступенчатых зубчатых передач на планетарную или волновую позволяет уменьшить массу передачи в несколько раз.

Выбор оптимальных форм деталей в зависимости от их назначения, уменьшение или исключение концентраторов напряжений.

Упрочнение деталей. Например, повышение твердости зубьев колес с НВ 200 до HRC3 65 позволяет уменьшить массу редуктора в 8 раз.

Совершенствование заготовительных операций уменьшает отход материала в стружку в несколько раз.

Технологичность конструкции. Точность. Взаимозаменяемость

Детали машин должны быть технологичными, т. е. удобными для изготовления. Они должны очерчиваться поверхностями, легко обрабатываемыми на существующих станках: цилиндрическими или коническими, винтовыми, эвольвентными или плоскими.

Формы литых деталей должны обеспечивать условия для получения качественных отливок: иметь равномерную толщину стенок отливок, плавные переходы, возможность свободной усадки и удобство формования.

Взаимозаменяемость – это условие, при котором сборка изделия из деталей, изготовляемых по чертежам, должна осуществляться без пригонки (без дополнительной обработки). Детали невозможно изготовить абсолютно точно.

Взаимозаменяемость обеспечивается системой допусков и посадок. Допуск размера — это разность между наибольшим и наименьшим его значением. Посадка определяется взаимным расположением полей допусков сопрягаемых деталей.

Допуски установлены в соответствии с 19 квалитетами, обозначаемыми в порядке понижения точности. Детали общемашиностроительного применения обычно выполняют по квалитетам 4-11. Квалитеты 4-5 применяют при высоких требованиях к точности, высокой напряженности или быстроходности. Квалитеты 6-8 считают основными в современном производстве. Квалитет 9 – для деталей низкоскоростных машин. Квалитеты 10-13 – по мере понижения требований к точности деталей с включением деталей, обрабатываемых без снятия стружки, квалитеты 14-17 – для свободных поверхностей деталей. С повышением точности деталей, естественно, повышается их стоимость.