Учебный курс для студентов очной и заочной форм обучения
 Скачать 5.65 Mb.
|
|
, где и - предельные напряжения; - коэффициент запаса прочности (обычно 1,2 2,5) . В качестве предельного напряжения принимают одну из сле дующих механических характеристик материала: - предел текучести (физический или условный) — при статическом нагружении детали из пластичного или хрупкопластичного материала; - временное сопротивление — при статическом нагружении детали из хрупкого материала; - предел выносливости — при возникновении в детали напряжений, переменных во времени. Для деталей машин широко распространены расчеты не по допускае мым напряжениям, а по коэффициентам запаса прочности. Взамен усло вия прочности используют тождественные ему условия: ; . где n — действительный (расчетный) коэффициент запаса прочности; , — расчетные нормальное и касательное напряжения. В разных обстоятельствах коэффициент запаса может быть либо задан заказчиком, либо выбран из справочных нормативов, либо вычислен с учётом точности определения нагрузок, однородности материала и специфических требований к надёжности машин. Для выбора допускаемых напряжений и коэффициентов запаса прочности в машиностроении принимают следующие два метода: - табличный - допускаемые напряжения и коэффициенты запаса прочности выбирают по специальным таблицам (см., например, табл. 1). Этот метод менее точен, так как не учитывается ответст венность детали, точность определения нагрузок и другие важные факторы, но он удобен для практического пользования; - дифференциальный - допускаемое напряжение или допускаемый коэффициент запаса прочности определяют по соответствующей формуле, которая учитывает различные факторы, влияющие на прочность рассчитываемой детали. Таблица 1. Ориентировочные значения допускаемых коэффициентов запаса прочности
Примечание. Меньшие значения относят к расчетам с весьма точными параметра ми нагружения. Для ответственных деталей, выход из строя которых связан с серьезны ми авариями, табличные значения следует увеличить на 30-50 %. Так, например, допускаемый коэффициент запаса прочности определя ют по формуле , где — коэффициент, отражающий влияние точности определения дей ствующих на деталь нагрузок, достоверность найденных расчетом внутрен них сил и моментов и т. д. (при применении достаточно точных методов расчета = 1 ÷ 1,5; при менее точных расчетах = 2 ÷ 3 и более); — коэффициент, отражающий однородность материала, чувстви тельность его к недостаткам механической обработки, отклонения механи ческих свойств материала от нормативных в результате нарушения техно логии изготовления детали (для пластичного материала = 1,2 ÷ 2,2; для хрупкопластичного = 1,6 ÷ 2,5; для хрупкого = 2 ÷ 6); — коэффициент, обеспечивающий повышенную надежность особо ответственных и дорогостоящих деталей ( = 1 ÷ 1,5). На практике применяют как дифференциальный, так и табличный ме тоды. Выполнение всех видов прочностных расчётов для каждой детали займёт очень много времени. Поэтому инженер должен сначала изучить опыт эксплуатации подобных изделий. Это особенно удобно для типовых деталей и машин. Следует обратить внимание на то, какой вид поломок встречается чаще всего. Именно по этому виду поломок, точнее по вызывающим их напряжениям, следует выполнять предварительно проектировочный расчёт. По его результатам строится форма детали, а проверочный расчёт выполняется по напряжениям, вызывающим менее опасные дефекты. В расчётах не следует гнаться за "абсолютной" точностью и использовать сложные "многоэтажные" формулы. Обширный опыт инженеров-расчётчиков показывает, что усложнение методик расчёта не даёт новых результатов. Крупнейший советский специалист по прочностным расчётам деталей машин И.А. Биргер заметил, что в технических расчётах "всё нужное является простым, а всё сложное – ненужным". Впрочем, похожая мысль высказывалась уже в библейских текстах, хотя и не по поводу машин. В расчётах необходимо стремиться к корректным упрощениям. Прочность деталей машин зависит от ряда конструктивно-технологических факторов. К числу важнейших относится конфигурация детали. Сформулируем основные принципы образования конструктивных форм деталей машин. 1. При конструировании деталей не следует допускать резких переходов, т. е. резких изменений формы соседних поверхностей. Соблюдение этого положения очень важно, так как при резких переходах в зоне сопряжения сечений наблюдается значительная концентрация напряжений, снижающая прочность детали при действии в ее сечениях, как статических так и переменных напряжений. 2. Конструктивные формы детали должны обеспечить по возможности равнопрочность всех ее сечений. 3. Конструктивные формы детали должны обеспечивать близкое к равномерному распределение напряжений по сечению детали. С этой целью применяют тонкостенные прокатные и прессованные профили, трубы и т. д. Большинство деталей машин подвержено изгибу и кручению, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях деталей. На поверхности расположены основные источники концентрации напряжений, поэтому разрушение деталей, как правило, начинается с поверхности. Для повышения конструкционной прочности деталей машин широко применяют различные способы поверхностного упрочнения. Жесткостью называют способность детали сопротивляться изменению формы и размеров под нагрузкой. Для некоторых деталей жесткость – основной критерий при определении их размеров. Например, размеры длинных валов точных зубчатых передач определяются расчетом на жесткость, так как значительный их прогиб во время работы изменит межосевое расстояние передачи и нарушит правильность зацепления. Нормы жесткости устанавливают на основе обобщения опыта эксплуатации машин. Эти нормы приводятся в справочной литературе. Поскольку совершенство материала идет по повышению прочности, а модуль упругости остается без изменений, повышение жесткости достигается улучшением форм и размеров деталей. В расчетах на жесткость ограничивают либо перемещения , y,либо угол , обусловленного деформациями, в пределах допускаемых значений: , , . Износо-коррозионная стойкость – это свойство материала, оказывать сопротивление изнашиванию и коррозии. Под изнашиванием понимают процесс разрушения поверхностных слоев при трении, приводящий к постепенному изменению размеров, формы и состояния поверхности детали. Износостойкость оценивают величиной, обратной скорости или интенсивности изнашивания. Износостойкость является важнейшим критерием работоспособности подвижно сопряженных деталей, поскольку до 90% таких деталей выходят из строя из-за износа. В результате износа снижается КПД, точность сопряжения, надежность и экономичность машин. Износ деталей значительно повышает стоимость эксплуатации машин в связи с необходимостью периодического их ремонта. Так стоимость ТО и ремонта превышает стоимость изготовления автомобиля за весь период его эксплуатации до 6 раз. Изнашивание — процесс разрушения поверхностных слоев при трении, приводящий к постепенному изменению размеров, формы, массы и со стояния поверхности деталей (износу). Износ — результат процесса изнашивания. В машинах наблюдаются следующие виды изнашивания: абразивный износ, износ при заедании и износ при коррозии. Абразивный износ происходит вследствие истирающего действия неровностей поверхностей или твердых посторонних частиц (песка, пыли). Заедание преимущественно наблюдается при высоких скоростях и давлениях с выдавливанием разъедающей трущиеся поверхности масляной пленки. В результате тепло не успевает отводиться, и происходит схватывание (сварка) частиц металла контактирующих поверхностей с дальнейшим отрывом их от более мягкой поверхности и прочным соединением с более твердой. Образовавшиеся неровности царапают рабочие поверхности деталей с более мягкой поверхностью, что приводит к выходу их из строя. Коррозийный износ заключается в том, что продукты коррозии срываются механическим путем. Для повышения износостойкости деталей применяют смазку трущихся поверхностей; выполняют закрытые конструкции с более совершенными уплотнениями для защиты деталей от попадания абразивных частиц; используют антифрикционные материалы, применяют специальные виды химико-термической обработки поверхности и масла антизадирными присадками. Большое число факторов, влияющих на изнашивание, затрудняет создание обоснованных методов расчета износостойкости деталей машин. Приближенно сопротивление изнашиванию оценивают, в частности, сопоставлением расчетных давлений с допускаемыми значениями, установленными на основе опыта эксплуатации конструкции. Более точные расчеты производятся по формулам, предложенным Ю.Н. Дроздовым. Износостойкость зависит от свойств выбранного материала, термообработки и чистоты поверхностей, от величины давлений или контактных напряжений, от скорости скольжения и условий смазки, от режима работы и т. д. Износ уменьшает прочность деталей, изменяет характер соединения (при работе шум). Расчеты деталей на износ заключается либо в определении условий, обеспечивающих их жидкостное трение, либо в определении достаточной долговечности их путем назначения для трущихся поверхностей давлений не более допускаемых . Применение в конструкциях уплотняющих устройств защищает детали от попадания пыли, увеличивая их износостойкость. При расчетах деталей на износ либо определяют условия, обеспечиваю щие для них трение со смазочным материалом, либо назначают для тру щихся поверхностей соответствующие допускаемые давления. Изнашивание деталей можно уменьшить следующими конструктивны ми, технологическими и эксплуатационными мерами: - создать при проектировании деталей условия, гарантирующие трение со смазочным материалом; - выбрать соответствующие материалы для сопряженной пары; - соблюдать технологические требования при изготовлении деталей; - наносить на детали покрытия; - соблюдать режимы смазывания и защиты трущихся поверхностей от абразивных частиц (применение уплотняющих устройств) Виброустойчивостью называют способность конструкции работать в нужном диапазоне режимов, достаточно далеких от области резонансов. Вибрации снижают качество работы машин, вызывают переменные напряжения в деталях, что может привести к их усталостному разрушению. В некоторых случаях вибрации снижают качество работы машин. Например, вибраций в металлорежущих станках снижают точность обработки и ухудшают качество поверхности обрабатываемых деталей. Особенно опасны резонансные колебания, когда собственная частота совпадает или близка к частоте вынужденных колебаний. Поэтому расчет на виброустойчивость ведут по условию несовпадения частот собственных и вынужденных колебаний: . В связи с повышением скоростей движения машин опасность вибрации возрастает, поэтому расчеты параметров выну жденных колебаний приобретают все большее значение. Расчеты на виброустойчивость рассматривают в курсе «Теория колебаний» и производят не только для отдельных деталей, но и для всей машины в целом. Теплостойкостью называют способность конструкции работать в пределах заданных температур в течение заданного срока службы. Тепловыделение, связанное с рабочим процессом, имеет место в тепло вых двигателях, электрических машинах, литейных машинах и в машинах для горячей обработки материалов. Перегрев деталей во время работы – явление вредное и опасное, так как при этом снижаются их прочность и жесткость, ухудшаются свойства смазки, а уменьшение зазоров в подвижных соединениях приводит к заклиниванию и поломке. Нагрев деталей машин может вызвать следующие вредные последствия: - понижение прочности материала и появление остаточных деформа ций, так называемое явление ползучести (наблюдается в машинах с очень напряженным тепловым режимом, например, в лопатках газо вых турбин); - понижение защищающей способности масляных пленок, а следова тельно, увеличение износа трущихся деталей; - изменение зазоров в сопряженных деталях; - в некоторых случаях понижение точности работы машины; - заклинивание сопрягаемых подвижных деталей; - для деталей, работающих в условиях многократного циклического изменения температуры, могут возникнуть и развиться микротрещи ны, приводящие в отдельных случаях к разрушению деталей. Для обеспечения нормального теплового режима работы конструкции производят тепловые расчеты (расчеты червячных передач, подшипники скольжения и др.) и при необходимости вносят конструктивные изменения (например, применяют охлаждение). При расчетах на теплостойкость сопоставляют расчетную Тр температуру с допускаемой [T]: . Соблюдение указанных критериев работоспособности обеспечивает надежность конструкции в течение заданного срока службы. Развитие современного машиностроения связано с применением множества взаимодействующих узлов и автоматических устройств, поэтому отказ в работе хотя бы одной детали или соединения приводит к нарушению работы всей конструкции. Надежность зависит от качества изготовления конструкции и от соблюдения норм эксплуатации. Стойкость к старению – способность деталей машин сопротивляться повреждению материала в связи изменением структуры и свойств, появлением хрупкости. Объемное старение – разрушение, деформация, изменение свойств, поверхностное старение – прогар, трещинообразование, изменение шероховатости, твердости, отражательной способности, напряженное состояние. Выносливость деталей машин при переменных напряжениях Многие детали машин или их элементы, такие, как валы, зубья зубчатых колес и другие, работают в условиях, когда возникающие в них напряжения периодические изменяют свое значения или значение и знак. По характеру изменения во времени нагрузки в машинах делят на постоянные и переменные. Постоянные нагрузки могут вызывать переменные напряжения. Так, при вращении вала, нагруженного изгибающим моментом, один и те же волокна его оказываются попеременно то в растянутой, то в сжатой зоне. Так же поочередный вход в зацепление зубьев колес вызывает в них изменение напряжений. Причиной изменения напряжений может быть и переменный характер действия внешней нагрузки. Переменность нагрузки, например, автомобиля может связана: с загрузкой (автомобиль может ехать с полной загрузкой, с частичной или без груза), с рельефом местности (езда под гору, по ровной местности, в гору), с видом и качеством дорожного полотна или грунта (грунтовая дорога, асфальт, булыжная мостовая), с остановом и разгоном у светофора, с квалификацией водителя и т.д. Каждый из этих факторов может изменять нагрузку в несколько раз. Характеристикой напряженности детали является цикл напряжений - совокупность последовательных значении напряжений за один период при регулярном нагружении. В случае действия касательных напряжении остаются в силе все приведенные ниже термины и соотношения с заменой на . Продолжительность одного цикла нагружения называют периодом и обозначают Т (рис.5). Напряжения с одним максимумом и одним минимумом в течение одного периода при постоянстве параметров цикла называют регулярным нагружением. Цикл переменных напряжении характеризуют (рис.5): 1. максимальным напряжением ; 2. минимальным напряжением ; 3. средним напряжением ; 4. амплитудой цикла ; 5. коэффициентом асимметрии цикла ; 6. характеристикой цикла , , . 7. коэффициентом амплитуды  Если R=0 ( = 0; ; ; а=0,5),то имеем отнулевой цикл напряжений (рис.5, в). Если ( 0; ; ; а=1), то цикл напряжений называется симметричным (рис.5, а). Этот цикл является наиболее неблагоприятным для работы детали, так как характеризуются изменением не только значения, но и знака действующих напряжений (знакопеременный цикл). Если R=1 ( ; ; ; а=0), действуют постоянные статистические напряжения. Во всех других случаях - циклы напряжения асимметричные (рис.5, б, г), ; ; (-1; -0,5; 0; +0,5; +1); ; . Рассмотрим определение числа циклов нагружения на примере вала, подверженного действию изгибающего момента и вращающегося с частотой вращения n, мин-1 (угловой скоростью , с-1). Продолжительность одного цикла изменения напряжения, т.е. период Т, с: Общее число циклов за промежуток время Lh, ч: (6) |