В3. Основные требования к деталям. Лекция 3 основные требования к деталям, узлам и механизмам
 Скачать 250.39 Kb.
|
|
1 Лекция № 3 ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ДЕТАЛЯМ, УЗЛАМ И МЕХАНИЗМАМ План лекции 1. Факторы, влияющие на работоспособность деталей. 2. Основные требования к деталям, узлам и механизмам. 3. Основные критерии работоспособности деталей машин. 1. Факторы, влияющие на работоспособность деталей Условия эксплуатации. Требования к объектам определяются усло- виями их эксплуатации и обслуживания. В первую очередь следует выде- лить две основные группы воздействия на технические объекты: механиче- ские и климатические. Кроме них возможны и другие воздействия: химиче- ские, биологические, радиационные, магнитные, электрические, электромаг- нитные и др. Для надежного функционирования механизмов, узлов и деталей необходимо обеспечить стойкость изделий к механическим, климатическим и другим воздействиям. Механические воздействия, связанные с эксплуатацией и транс- портировкой, включают в себя нагрузки, вибрации, удары. Инерционные на- грузки при движении могут достигать больших величин, например у ЛА не- скольких десятков g, и должны учитываться в расчетах на прочность. Стой- кость к вибрации определяется вибропрочностъю и виброустойчивостъю. Вибропрочностъ характеризуется способностью конструкции противосто- ять разрушающему действию вибрации в заданных диапазонах частот и оста- ваться работоспособной после длительного действия вибрации. Виброуст- ройчивость характеризуется сохранением работоспособности конструкции в условиях вибрационных нагрузок. Так, при транспортировке и работе меха- низмов его элементы испытывают вибрацию, которая опасна тем, что при ее воздействии происходит отвинчивание резьбовых деталей агрегатов и ме- ханических узлов. Отвинчивание устраняется с помощью обязательного сто- порения, применяемого на ЛА, автомобилях, судах и других изделиях. Климатические воздействия характеризуются следующими ком- понентами: температурой, давлением, влажностью, грязью и пылью. Требо- вание стойкости к изменению температур определяется необходимо- стью сохранения механических характеристик материала и вязкости жидко- стей. В процессе эксплуатации на машины и их элементы могут действовать высокие и низкие температуры. Низкие температуры приводят к хладоломко- сти. Материал и сварные швы с понижением температуры становятся хруп- кими и легко разрушаются при циклическом и ударном нагружении. Пригод- ность материала по этому показателю определяется ударной вязкостью KCU отношением работы разрушения надрезанного образца к площади попереч- 2 ного сечения в месте надреза. Диапазон температур внешней среды при экс- плуатации технических объектов в России обычно не превышает +60... 60 °С. Следует отметить, что в случае ударного или циклического нагружения неко- торые металлы нельзя использовать даже при установленной отрицательной температуре 60 °С. Это относится, например, к зубчатым колесам из стали 45, ударная вязкость которой снижается с 50 Дж/см 2 при t = 20 °С до 10...20 Дж/см 2 при t = 60 °С. В промышленности для изготовления деталей машин обычно применяются конструкционные стали с KCU > 5...10 Дж/см 2 и крайне редко материалы с KCU < 2 Дж/см 2 . При высоких прочностных требовани- ях к конструкции металлические детали, подвергающиеся ударному нагру- жению (например, элементы передач), должны иметь в диапазоне рабочих температур ударную вязкость не ниже 50...100 Дж/см 2 . Диапазон эксплу- атационных температур следует учитывать и при подборе смазочных и неме- таллических материалов. Так, смазочный материал при низких температурах становится более вязким или загустевает. Например, ЦИАТИМ-221 загусте- вает при t = 60 °С, а ВНИИНП-284 при t = 110 °С. Загустение смазочного материала нарушает нормальную работу механизмов, поэтому они не должны использоваться при температурах, ниже указанных в технических условиях. Резиновые шайбы, используемые в мягких амортизаторах, при понижении температуры вначале резко увеличивают жесткость, а при t = 60 °С стано- вятся хрупкими. Пластмассы при сильном охлаждении могут терять эластич- ность и также становятся хрупкими. Для полимерных материалов опасны резкие изменения температуры, приводящие к их разрушению. Детали ряда машин в процессе эксплуатации подвергаются интенсивному нагреву. В ре- зультате понижается прочность деталей (уменьшается предел прочности и предел выносливости) и может появиться ползучесть. Она характеризуется непрерывной пластической деформацией при длительном нагружении. Тепло- стойкость таких элементов обеспечивается правильным подбором материа- лов, а при необходимости и путем специальных исследований и последующих мероприятий. Изменение температуры также приводит к изменению зазо- ров в подвижных соединениях, что связано с различными коэффициентами линейного расширения различных материалов элементов или с неравномер- ным нагревом. На работу машин также может оказывать влияние давление. Элементы машин, работающие в вакууме, должны удовлетворять требованию стойкости к пониженному давлению. Низкое давление сильно влияет в основном на не- металлические материалы, когда в вакууме происходит сублимация их ком- понентов. Наиболее заметно она проявляется у полимерных материалов, ре- зин, смазочных материалов и антифрикционных покрытий, что необходимо учитывать при конструировании узлов с долговременным пребыванием в ва- кууме. Например, в космическом вакууме нужно использовать специальную резину ИРП-1118. В вакууме на трущихся поверхностях деталей отсутствуют окисные пленки, поэтому возрастет коэффициент трения. Возникает опас- 3 ность схватывания трущихся поверхностей, что вызывает их повреждения за- едание и задиры у зубчатых колес и подшипников скольжения. В ряде эле- ментов конструкций (баках, трубопроводах) может иметь место высокое дав- ление, которое также необходимо учитывать при проведении расчетов на прочность. Влажность атмосферы вызывает коррозию металлов, разбухание и потерю прочности ряда неметаллов. Для устранения коррозии металлов сле- дует проводить специальные мероприятия. Существуют следующие способы повышения коррозийной стойкости металлов: - применение антикоррозийных материалов (например, не ржавеющей стали 12Х18Н10Т); - применение антикоррозийных покрытий хромирование, анодиров- ние, оксидирование, грунтовка, окраска и др.; - использование специальной обработки для получения менее шерохо- ватой поверхности (шлифование, полирование), не устраняющей коррозию, но замедляющей ее развитие; - покрытие поверхностей защитными смазками, что используется для деталей, расположенных внутри корпуса, при работе механизмов, а также при консервации деталей и узлов; - заключение деталей в герметизированные объемы, исключающие по- падание влаги внутрь. Особенно опасно сочетание влажности и высоких температур, наблю- дающееся в приморских районах, в тропиках, где резко активизируются про- цессы коррозии. Загрязнение деталей передач пылью, песком и другими твердыми час- тицами приводят к существенному увеличению износа трущихся частей. Для устранения абразивного износа передачи помещаются внутри корпуса, что ис- ключает попадание твердых частиц внутрь. Износостойкость существенно влияет на долговечность работы механизмов. Износ является главной причи- ной выхода из строя машин (до 90%). Ежегодные расходы на обслуживание и восстановительный ремонт некоторых действующих машин превышают стои- мость годового выпуска новых машин. Износ передач обычно приводит к по- тере точности и увеличению динамических нагрузок, а иногда и к поломкам, особенно при длительной эксплуатации, если не производится техническое обслуживание и ремонт. К другим факторам относится стойкость к химическому и биологиче- скому воздействию. Стойкость к химическому воздействию должны иметь детали, работающие в агрессивных средах. Трубопроводы в этом слу- чае должны изготавливаться из материалов, не взаимодействующих с на- полняющими их жидкостями. Например, азотная кислота разъедает трубы из обычной стали и не разрушает нержавеющую сталь 12Х18Н10Т. Стойкость к биологическому воздействию определяется тем, что некоторые насеко- мые и грызуны поедают элементы изделий из органических и изоляционных материалов. Возможно также появление плесени, которая вызывает коррозию 4 металлов и разложение неметаллов. 2. Основные требования к деталям, узлам и механизмам Одним из важнейших показателей, определяющих спрос на проекти- руемый объект, является его качество. Обеспечение необходимого качества возможно при удовлетворении эксплуатационных, производственно- технологических, экономических и эргономических требований, предъявляе- мых к деталям, узлам и механизмам. К эксплуатационным требованиям относятся требования рабо- тоспособности, технического обслуживания и ремонта. Работоспособность способность изделия выполнять заданные функции с параметрами, уста- новленными в техническом задании (ТЗ). Техническое обслуживание этап эксплуатации, направленный на поддержание надежности и готовности тех- нических объектов и их элементов к штатной эксплуатации. В этот этап вхо- дят работы по профилактике, контролю, регулированию, смазке и др. Ре- монт это совокупность технических мероприятий, осуществляемых с це- лью восстановления работоспособности устройств. Рассмотрим подробнее эксплуатационные требования. Они включают в себя показатели назначения (функциональные показатели), надежность, массу, габариты, КПД, точность и др. Показатели назначения входят в техническое задание, в кото- ром указывается назначение объекта, его состав, структура, особенности и ряд технико экономических показателей: - технические характеристики вид и скорость движения, производи- тельность, надежность, масса, габариты, КПД, точность; - энергетические характеристики источники питания, мощность, КПД; - устойчивость к внешним воздействиям, влияющим на ра боту объекта; - стоимость и другие показатели, зависящие от назначения объекта проектирования. Отметим одно из противоречий, возникающих в группе эксплуатацион- ных требований: для обеспечения требований технического обслуживания и ремонта необходимо предусмотреть в конструкции подходы к ряду агрегатов и узлов, что реализуется обычно введением люков, откидных крышек и т. д. Это приводит к увеличению массы конструкции, что нежелательно для техни- ческих характеристик изделий. Важнейшей характеристикой механизма (объекта) является его надеж- ность. Надежность свойство изделий выполнять в течение заданного вре- мени или заданной наработки свои функции и сохранять в заданных пределах эксплуатационные показатели. Надежность характеризуется безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью. Безотказность свойство изделия сохранять работоспособность в течение некоторой наработ- 5 ки без вынужденных перерывов. Долговечность свойство изделия сохра- нять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерыва- ми для технического обслуживания и ремонта. Ремонтопригодность при- способленность изделия к предупреждению, обнаружению и устранению от- казов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ре- монта. Сохраняемость свойство изделия сохранять обусловленные экс- плуатационные показатели в течение срока хранения, установленного в тех- нической документации, а также после срока хранения и транспортирования. Свойство безотказности существенно для изделий, выход из строя которых вызывает катастрофические последствия, например отказ устройств летатель- ного аппарата, может привести к его гибели. Отметим, что у объектов, экс- плуатирующихся на земле, после отказа возможно восстановление работоспо- собности. В наиболее ответственных системах для повышения надежности ис- пользуется резервирование. Под резервированием понимают метод повыше- ния надежности путем введения резервных и дублирующих частей, являю- щихся избыточными по отношению к минимальной, функциональной струк- туре изделия, необходимой и достаточной для выполнения заданных функций. Например, при низкой надежности электродвигателя для повышения надеж- ности электропривода в конструкцию вводят второй (резервный) двигатель, а на КА для открытия активных замков дублирование осуществляется трижды. Для повышения надежности возможно использование предохранительных устройств, например предохранительных муфт, ограничивающих вращающий момент, передаваемый на последующие звенья передачи. Массогабаритные показатели важны при создании технических объектов. Конструктор должен обеспечить требования ТЗ по массе. Основой минимальных массы и габаритов механизма является правильный выбор ма- териала, рациональной конструктивно-силовой схемы, формы и размеров де- талей, применение композитов и т. д. При выборе материала целесообразно использовать металлы с высокой удельной прочностью, неметаллы и компо- зиты. При выборе формы детали балочного типа необходимо выбрать рацио- нальное сечение и обеспечить равнопрочность. При разработке любой конст- рукции актуален вопрос материалоемкости, так как стоимость материала в общей стоимости изделия доходит до 80% в машиностроении, а в автомо- бильной промышленности до 70%. Важным параметром любого механизма является КПД. Одной из важ- нейших задач конструктора является обеспечение максимального КПД пере- дачи. Повысить КПД можно путем перехода к более совершенным типам пе- редач, у которых меньше потери на трение, например заменой передачи винт- гайка скольжения на шариковинтовую передачу (ШВП) или роликовинтовую передачу (РВП). При использовании подшипников скольжения нужно при- менять такие материалы для вала и подшипника, чтобы они образовывали антифрикционную пару, определяемую низким коэффициентом трения, вы- сокой износостойкостью при правильном выборе смазочного материала. При высоком КПД снижается расход энергии. В механизмах, узлах и деталях 6 должна быть обеспечена необходимая точность. Снижение точности ухуд- шает эксплуатационные характеристики изделия, а завышение увеличивает стоимость конструкции. Выполнение производственно технологических требований обеспечивает технологичность конструкции. Технологичной называют такую конструкцию, для создания которой требуются наименьшие затраты времени, труда и средств, при заданном объеме выпуска в условиях данного производ- ства. Например, в серийном и массовом производствах, более технологична та конструкция, в процессе изготовления деталей которой удается получить форму заготовки, максимально приближенную к конечной форме детали. Рассмотрим примеры взаимодействия между эксплуатационными и производственно-технологическими требованиями. При повышении точности обработки и уменьшении шероховатости контактирующих поверхностей в подшипнике скольжения увеличивается его долговечность, т. е. улучшаются эксплуатационные показатели, однако повышаются затраты труда и средств, т. е. ухудшаются производственно-технологические и экономические показа- тели. Из этого противоречия следует, что не рекомендуется необоснованно за- вышать точность обработки поверхностей. Использование в конструкции стандартных деталей упрощает ее ремонт и позволяет автоматизировать изго- товление таких деталей. Следовательно, улучшаются как эксплуатационные, так и производственно-технологические показатели, т. е. они, взаимодейству- ют, а не противоречат один другому. Экономические требования связаны с достижением минимальной стоимости изготовления и эксплуатации детали, узла и др. Уменьшение себе- стоимости, как правило, связано со снижением затрат живого труда, материа- лов, энергии на изготовление и эксплуатацию, с совершенствованием техно- логии и т. д. Эргономические требования определяются безопасностью и ком- фортом для человека, эксплуатирующего объект, снижением или исключени- ем вредных воздействий на человека и окружающую среду, повышением по- ложительных эмоций. Важно отметить, что в соответствии с ТЗ в первую очередь должны быть обеспечены эксплуатационные требования. Проектировщик большое внима- ние должен обращать не только на производство, но и на сбыт создаваемой продукции, т. е. технические и экономические характеристики конструкции должны быть увязаны с требованиями потребителя. При проектировании привода или узла должны учитываться все пере- численные требования, а те из них, по которым осуществляется оценка объек- та проектирования, становятся показателями качества критериями, напри- мер критерий обеспечения минимальной массы конструкции или мини- мальной стоимости. Часто оптимизация системы осуществляется упрощенно и сводится к выбору наилучшего варианта конструкции, поэтому эффективнее ее проводить на основе математической теории оптимизации. В большинстве случаев задачи проектирования являются многокритериальными. При оп- 7 тимизации полное удовлетворение всех требований часто нецелесообразно, поэтому ищут компромиссное решение, например, используя метод Парето. Работоспособность и надежность детали (элемента) обеспечива- ется за счет выполнения следующих основных требований: прочности, жест- кости и стойкости к различным воздействиям (износу, вибрации, температуре и др.). Выполнение требований прочности при статическом, циклическом и ударном нагружениях должно исключить возможность разрушения, а также возникновения недопустимых остаточных и упругих деформаций. Требова- ния жесткости к детали или контактной поверхности сводятся к ограниче- нию возникающих под действием нагрузок деформаций, нарушающих рабо- тоспособность изделия, к недопустимости потери общей устойчивости для деталей балочного типа, подвергающихся сжатию, и местной у тонкостен- ных элементов. Должна быть обеспечена износостойкость детали, которая существенно влияет на долговечность работы механизма. Необходима стой- кость к вибрации, определяемая вибропрочностью детали. Достаточно, что- бы для каждой детали выполнялись не все перечисленные требования, а лишь те, которые связаны с ее эксплуатацией. Например, пружина редуктора гид- росистемы смазки машины должна удовлетворять требованиям прочности, жесткости, стойкости к изменению температуры и химическому воздействию среды, где она находится. Для другой детали металлической гайки, нагруженной силой, требо- вания сводятся лишь к обеспечению прочности в заданном интервале темпе- ратур, а при контакте с влагой защите от коррозии. При выполнении сфор- мулированных требований деталь должна иметь минимальную массу и габа- риты, обладать необходимой точностью. Также необходимо выполнять и дру- гие требования обеспечить технологичность, безопасность изготовления и низкую стоимость детали. 3. Основные критерии работоспособности деталей машин Прочность является основным критерием работоспособности, т. е. задачей обеспечения необходимой прочности является определение размеров и форм деталей машин, исключающих возможность возникновения недопус- тимо большой остаточной деформации, преждевременных поломок и по- верхностных разрушений. Большая часть деталей машин подвержена в работе воздействию цело- го ряда нагрузок, обусловливающих возникновение сложного напряженного состояния. Для проверки прочности деталей при этом состоянии, располагая механическими характеристиками материалов лишь при простом напряжен- ном состоянии, необходимо пользоваться теориями прочности, которые ус- танавливают связь между прочностью материала и значениями (величиной и знаком) главных напряжений. В основу этих теорий положено, что два напряженных состояния (сложное и простое) равнопрочны, если при пропор- 8 циональном увеличении напряжений оба они достигают опасного предела прочности в один и тот же момент. Практика эксплуатации машин показала, что большинство поломок деталей обусловлено усталостью (выносливостью) металла, т. е. постепен- ным развитием микротрещин. Существенное значение для направления раз- вития усталостной трещины имеет характер напряженного состояния мате- риала. Пределом выносливости (усталости) называют наибольшие максималь- ные напряжения цикла, при котором материал не разрушается при весьма большом числе переменных напряжений. Для различных материалов установлено число циклов, выдержав кото- рое образец не разрушится и при дальнейшем испытании. Это число циклов называется базовым. Современные методы оценки прочности деталей машин базируются на сравнении нормальных σ или касательных напряжений τ с допускаемыми [σ] и [τ]. Под допускаемыми напряжениями понимают максимальные значения рабочих напряжений, которые могут быть допущены в опасном сечении при условии обеспечения необходимой прочности и долговечности детали во время ее эксплуатации. Следовательно, условие прочности можно выразить формулами σ σ F A или τ τ , F A где F – действующая нагрузка, Н; A – площадь сечения детали, 2 мм Для пластичных материалов в качестве предельного напряжения берет- ся предел текучести и запас прочности S: т σ , σ S т τ , τ S для хрупких материалов в качестве предельного напряжения берется предел прочности и запас прочности: в σ , σ S в τ τ S Из вышеизложенного следует, что запасом прочности S детали назы- вают отношение предельного напряжения к допускаемому напряжению. Одним из наиболее общих условий конструирования машин является условие равнопрочности. Очевидно, что нет необходимости конструировать отдельные элементы машин с излишними запасами прочности, которые все равно не могут быть реализованы в связи с выходом конструкции из строя из-за разрушения или повреждения других элементов. 9 Повышение несущей способности и увеличение сроков службы детали осуществляют путем использования конструктивных, технологических, метал- лургических и эксплуатационных мероприятий. Для повышения прочности необходимо увеличить прочностные характеристики материала, уменьшить вредное воздействие динамических нагрузок (например, при 3000 об/мин смещение центра тяжести ротора на 0,1 мм создает нагрузки, равные весу ро- тора), уменьшить концентрацию напряжений в опасных сечениях, сконстру- ировать детали с возможно более равномерным распределением напряжений. Вес деталей, работающих на растяжение-сжатие, обратно пропорцио- нален допускаемому напряжению, при изгибе-кручении – допускаемому на- пряжению в степени 2/3 и т. д. Таким образом, повышение допускаемых на- пряжений ведет к уменьшению веса деталей, к экономии материалов. Для де- талей, работающих на изгиб-кручение, применение высокопрочных материа- лов неоправданно. При действии переменных нагрузок нужно учитывать, что допускаемые напряжения растут гораздо медленнее, чем предел прочности, и лучше использовать сталь со средними характеристиками и поверхностным упрочнением. Упрочнение деталей обусловлено главным образом возникновением сжимающих напряжений в поверхностном слое вследствие образования структур большего удельного объема, чем структура основного металла. В этом случае наиболее эффективна поверхностная закалка, цианирование и азотирование, которые практически полностью устраняют влияние концен- тратов напряжений. Вопросы к лекции № 3 1. Перечислите, каким воздействиям подвергаются объекты (машины, ап- параты и пр.) при эксплуатации или транспортировке. 2. Что такое вибропрочность и виброустойчивость? 3. Каким образом при проектировании объекта учитывается требование стойкости к изменению температур? 4. Каким образом при проектировании объекта учитывается требование стойкости к пониженному давлению? 5. Какие меры против коррозии необходимо предусмотреть при выборе материалов при проектировании объекта? 6. Как обеспечить износостойкость трущихся поверхностей деталей? 7. Как обеспечить стойкость деталей (объектов) к химическому воздейст- вию? 8. Назовите основной критерий работоспособности детали. 9. Что называется пределом выносливости (усталости) детали? 10. Что такое допускаемые напряжения? 11. Что называется запасом прочности детали? |