Размещено на http://www.allbest.ru/

Общие положения расчета на прочность и конструирования деталей и узлов машин

Работоспособность - состояние узла (механизма), при котором его параметры находятся в пределах, установленных технической документацией. Например, если двигатель машины не развивает требуемой мощности, или редуктор перегревается, то машина становится неработоспособной.

Долговечность - свойство узла (механизма) сохранять работоспособность в течение определенного срока, называемого техническим ресурсом. Во время этого срока должно проводиться техническое обслуживание узла, а иногда и текущий ремонт.

Надежность - вероятность безотказной работы объекта. Отказ - это нарушение работоспособности. Сбой - легко устранимый отказ. Для повышения работоспособности машин в ответственных случаях применяют резервирование. В основном это касается электрических и гидравлических систем, но в ряде случаев создаются и резервные механические системы.

Ремонтопригодность - приспособленность объекта к отысканию и устранению отказов. То есть, конструкция должна быть по возможности простой для сборки и разборки.

Технологичность - соответствие узла или детали требованиям производства и эксплуатации. Конструктор объекта должен учитывать возможности завода, где этот объект будет изготавливаться, а также, условия, в которых этот объект будет эксплуатироваться.

Экономичность определяется стоимостью материала, производства и эксплуатации. Эта стоимость должна быть минимальной при прочих равных условиях. То есть, если две идентичных машины обладают одинаковой работоспособностью, долговечностью, надежностью и ремонтопригодностью, то лучше из них та, которая сделана из более дешевых материалов и более проста в изготовлении и эксплуатации.

Критерии работоспособности и расчета деталей машин.

Такими критериями являются прочность, жесткость, износостойкость, теплостойкость, виброустойчивость.

Прочность - способность выдерживать приложенные нагрузки без разрушения. Различают разрушение детали от потери статической прочности и от потери сопротивления усталости.

Условие статической прочности:

где: у - напряжение в детали;

у в - предел прочности материала детали.

Если деталь при работе подвержена периодическим знакопеременным нагрузкам, то по истечении определенного времени она может разрушиться от потери сопротивления усталости. После определенного числа циклов напряжений в некоторых местах детали, называемых концентраторами напряжений, возникают микротрещины. Концентраторами напряжений детали являются те ее элементы, которые прерывают непрерывность ее поверхности и плавность ее формы, например, канавки и галтели на валах и осях, шпоночные пазы, отверстия и пр. Кроме того, микротрещины могут возникнуть и на плавных поверхностях детали в зоне контактных нагрузок (поверхности зубьев шестерен, рабочие поверхности колец подшипников качения и т.д.). Концентраторами напряжений в этом случае являются дефекты материала - раковины, или следы механической обработки поверхности -риски.

Условие сопротивления усталости:

где у -1 - предел выносливости материала детали.

Жесткость - способность сопротивляться образованию деформаций под действием нагрузок. Различают статическую жесткость и виброжесткость, то есть, способность сопротивляться деформациям при знакопеременных цикличных нагрузках.

Износостойкость - способность сопротивляться износу. Износ - это процесс постепенного изменения размеров в результате трения. Трение - это неизбежный процесс, сопровождающий работу любой машины, не смотря на самые современные системы смазки. Процесс износа в течение срока службы детали можно представить графически так, как это показано на рис. 1.1, где д - величина износа трущейся поверхности, t - время работы.

Рис.1.1.

На этом рисунке t 1 - время приработки: в новых деталях машины в процессе трения происходит процесс сглаживания микронеровностей. После этого начинается нормальная работа машины с нормальным износом трущихся поверхностей деталей. Это время (t 2 на рис. 1.1) в правильно спроектированной машине может быть очень большим - тысячи и десятки тысяч часов. Общее время работы детали в машине не должно быть больше суммарного времени приработки и нормального износа (t 1 + t 2), после чего необходим восстановительный ремонт или замена детали. В противном случае наступает катастрофический износ детали, время которого t 3 невелико, а результатом которого может явиться потеря работоспособности и поломка детали и узла машины. Для увеличения срока службы принимают меры по защите трущихся поверхностей от грязи, пыли и попадания влаги, так как коррозия убыстряет процесс износа.

Теплостойкость - способность детали и узла работать в определенном температурном режиме. Перегрев может вызвать следующие отрицательные последствия.

1. Снижение прочности и появление ползучести. Экспериментально установлены следующие температурные ограничения:

- для конструкционной стали (300 ч 400)єС;

- для алюминиевых сплавов (150 ч 200) єС;

- для титановых сплавов (450 ч 550) єС;

- для жаропрочных сталей 1000єС;

2. Повышение износа из-за нарушения работы масла. Консистенция масла уменьшается, наступает непосредственный контакт трущихся поверхностей, что приводит к задирам и потери работоспособности.

3. Увеличение или уменьшение зазоров в кинематических парах, что может привести к ударам или повышенному трению.

4. Возникновение температурных напряжений, которые могут превысить допустимые. деформация прочность нагрузка

Виброустойчивость - способность детали и узла работать в требуемом диапазоне угловых скоростей и угловых частот колебаний машины. Из курса ТММ известно, что любая машина является источником виброактивности, то есть, работа любой машины сопровождается неизбежными вибрациями. Это обстоятельство учитывается при конструировании деталей и их соединений. Ярким примером здесь служат летательные аппараты, в которых для создания неразъемных соединений алюминиевых деталей корпусов и обшивки используются не сварные швы, а заклепочные соединения. Микротрещина, появившаяся в результате вибраций в сварном алюминиевом шве может быстро увеличиться и распространиться на весь шов. Заклепочные швы более надежны, так как микротрещина в одной заклепке может вызвать разрушение только этой заклепки, а не шва в целом.

Особенности расчета на прочность деталей машин.

Подобно тому, как в динамических расчетах реальная машина заменяется ее динамической моделью, при расчете на прочность реальная конструкция детали и приложенные к ней нагрузки заменяются моделью детали и расчетной схемой. Это связано, в частности, с тем, что в реальной конструкции детали могут быть элементы, практически не влияющие на ее прочность, а связанные с особенностями технологии производства и эксплуатации, с конструктивными соображениями или с дизайном.

При моделировании происходит неизбежное упрощение конструкции детали и схемы приложенных к ней нагрузок. При этом надо уметь правильно выделить главное и отбросить второстепенное. Следует использовать накопленный опыт, нормы и рекомендации, которые изложены в специальной справочной литературе по деталям машин. Однако, в любом случае, в результате предпринятых упрощений инженерный расчет становиться приближенным. Недостаточная точность расчета компенсируется коэффициентом безопасности (коэффициентом запаса прочности). Выбор этого коэффициента является ответственным этапом расчета, особенно при конструировании деталей и узлов летательных аппаратов.

Согласно назначению, различают два вида расчетов на прочность: проектный и проверочный. Проектный расчет имеет целью определить главные размеры детали, исходя из нагрузок, действующих на эту деталь, и материала детали. Цель проверочного расчета - найти напряжения, возникающие в детали, которая имеет определенные размеры, сделана из определенного материала и работает под действием известных нагрузок, и убедиться, что эти напряжения не больше допускаемых.

Из этих определений следует, что проектный расчет предшествует конструированию детали, а проверочный расчет выполняется после конструирования детали. При проверочном расчете учитываются действительные главные размеры и форма детали, которые после конструирования могут отличаться от предварительно определенных при проектном расчете.

В качестве примера ниже приведены условия прочности и формулы проектного и проверочного расчетов для простейших случаев растяжения, изгиба и кручения круглого стержня.

Растяжение (рис. 1.2а).

Условие прочности:

(Н)

где: F - растягивающая сила в Н;

s - площадь поперечного сечения стержня в мм 2:

d -

диаметр стержня в мм);

[у] - допускаемое напряжение растяжения в МПа.

Проектный расчет:

(мм)

Проверочный расчет:

(МПа)

Рис.1.2. Изгиб (рис. 1.2б).

Условие прочности:

(Нм)

где: М - изгибающий момент в Нм;

W - осевой момент сопротивления сечения стержня в мм 3:

[И] - допускаемое напряжение изгиба в МПа.

Проектный расчет:

(мм)

Проверочный расчет:

(МПа)

Кручение (рис. 1.2в)

Условие прочности:

(Нм)

где: Т - крутящий момент в Нм;

W0 - полярный момент сопротивления сечения стержня в мм 3:

[] - допускаемое напряжение кручения в МПа.

Проектный расчет:

(мм)

Проверочный расчет:

(МПа)

Ключевые слова и выражения.

1. Деталь - это часть машины, изготавливаемая без сборочных операций.

2. Узел - это сборочная единица, состоящая из деталей и имеющая определенное функциональное назначение.

3. Работоспособность - состояние узла (механизма), при котором его параметры находятся в пределах, установленных технической документацией.

4. Надежность - вероятность безотказной работы объекта.

5. Отказ - это нарушение работоспособности.

6. Сбой - легко устранимый отказ.

7. Ремонтопригодность - приспособленность объекта к отысканию и устранению отказов.

8. Технологичность - соответствие узла или детали требованиям производства и эксплуатации.

9. Экономичность определяется стоимостью материала, производства и эксплуатации.

10. Прочность - способность выдерживать приложенные нагрузки без разрушения.

11. Жесткость - способность сопротивляться образованию деформаций под действием нагрузок.

12. Износостойкость - способность сопротивляться износу.

13. Износ - это процесс постепенного изменения размеров в результате трения.

14. Теплостойкость - способность детали и узла работать в определенном температурном режиме.

15. Виброустойчивость - способность детали и узла работать в требуемом диапазоне угловых скоростей и угловых частот колебаний машины.

16. Проектный расчет - расчет, имеющий целью определить главные размеры детали, исходя из нагрузок, действующих на эту деталь, и материала детали.

17. Цель проверочного расчета - найти напряжения, возникающие в детали, которая имеет определенные размеры, сделана из определенного материала и работает под действием известных нагрузок.

Литература

1. Авиационные зубчатые передачи и редукторы. Справочник. Под редакцией Булгакова Э.Б. Москва, "Машиностроение", 1981.

2. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В трех томах. Москва, "Машиностроение", 1982.

3. Детали машин. Атлас конструкций. Под ред. Решетова Д.Н. Москва, "Машиностроение", 1989.

4. Детали машин. Сборник материалов по расчету и конструированию в двух книгах. Под редакцией Ачеркана Н.С. Москва, Машгиз, 1953.

5. Дунаев П.Ф. Конструирование узлов и деталей машин. Москва, 1978.

6. Иванов М.Н. Детали машин. Москва, "Высшая школа", 1991.

7. Конструирование машин. Справочно-методическое пособие в двух томах. Под редакцией Фролова К.В. Москва, "Машиностроение", 1994.

8. Кудрявцев В.Н. и др. Курсовое проектирование деталей машин. Ленинград, 1984.

9. Основы расчета и конструирования деталей летательных аппаратов. Под ред. Кестельмана В.Н. Москва, 1989.

10. Справочник машиностроителя, том 4, книги I и II. Под редакцией Ачеркана Н.С. Москва, Машгиз, 1963.

11. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. Под редакцией Крагельского И.В. и Алисина В.В. Москва, "Машиностроение", 1978.

Размещено на Allbest.ru