1.3. Критерии работоспособности и расчета деталей машин. Выбор материала

Совершенство конструкции детали оценивают по ее надежности и экономичности. Экономичность определяется стоимостью материала, затратами на производство и эксплуатацию. Под надежностью понимается свойство изделия сохранять во времени свою работоспособность. При конструировании деталей машин их работоспособность обеспечивается:

· выбором соответствующего материала;

· выбором рациональной конструктивной формы;

· расчетом размеров по одному или нескольким критериям работоспособности (расчетом на прочность, жесткость, износостойкость, теплостойкость, виброустойчивость).

Прочность является главным критерием работоспособности большинства деталей. Различают разрушение деталей вследствие потери:

· статической прочности;

· сопротивления усталости.

Потеря статической прочности происходит при значениях рабочих напряжений, превышающих предел статической прочности материала (например, ) Обычно это связано со случайными перегрузками, неучтенными при расчетах, или со срытыми дефектами деталей (наличием раковин, трещин и т.п.).

Потеря сопротивления усталости происходит в результате длительного действия переменных напряжений, превышающих предел выносливости материала, например, предел выносливости материала при симметричном цикле изменения напряжений .

Жесткость характеризуется изменением размеров и формы деталей под нагрузкой. Расчет на жесткость предусматривает ограничение упругих перемещений деталей в пределах, допустимых для конкретных условий эксплуатации. Условия жесткости записываются в виде:

Рис. 1.2. Схема вала

;                     (1.1)

,                  (1.2)

где f – прогиб;  – допустимый прогиб, определяемый для валов в зависимости от межпролетного расстояния (расстояния между опор), а для вала-червяка в зависимости от модуля зацепления;  – угол поворота опорного сечения;  – допустимый угол поворота опорного сечения (рис. 1.2).

Условие (1.1) используется, например, при расчете на жесткость вала-червяка, а условие (1.2) при установке валов в подшипниках скольжения или роликовых подшипниках качения, практически не допускающих поворота опорных сечений.

Износостойкость определяется изнашивание деталей и узлов механизмов и машин. В соответствии с ГОСТ 27674-88, изнашивание – это процесс отделения материала с поверхности твердого тела и (или) увеличения его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

Износ – это результат изнашивания, определяемый в установленных единицах. Значение износа выражается в единицах длины, объема, массы и т.д.

Формирование изнашиваемой поверхности происходит в результате суммирования различных по интенсивностям и видам элементарных актов разрушения и изменений механических и физико-химических свойств материала под воздействием внешних факторов: среды, температуры, давления, вида трения, скорости скольжения и т.д. Вид изнашивания (табл. 1.1) и его интенсивность определяются совокупностью явлений в процессе трения (табл. 1.2). Вследствие разнообразия материалов деталей пар трения и условий их эксплуатации виды изнашивания разнообразны.

Таблица 1.1 Виды и характеристики изнашивания

Термин

Определение

Механическое изнашивание

Mechanical wear

Изнашивание в результате механических воздействий

Коррозионно-механическое изнашивание

Mechanic corrosive wear

Изнашивание в результате механического воздействия, сопровождаемого химическим и (или) электрическим взаимодействием материала со средой

Абразивное изнашивание

Abrasive wear

Механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел или твердых частиц

Гидроэрозионное (газоэрозионное) изнашивание

Hydro erosive (gas erosive) wear

Изнашивание поверхности в результате воздействия потока жидкости (газа)

Гидроабразивное (газоабразивное) изнашивание

Hydro abrasive (gas abrasive) wear

Абразивное изнашивание в результате действия твердых тел или твердых частиц, увлекаемых потоком жидкости (газа)

Термин

Определение

Усталостное изнашивание*

Fatigue wear

Механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя

Кавитационное изнашивание

Cavitations wear

Механическое изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает местное высокое ударное давление или высокую температуру

Продолжение табл. 1.1

Изнашивание при заедании

Adhesive wear

Изнашивание в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность

Окислительное изнашивание

Oxidative wear

Коррозионно-механическое изнашивание, при котором преобладает химическая реакция материала с кислородом или окисляющей окружающей средой

Изнашивание при фреттинге

Fretting wear

Механическое изнашивание соприкасающихся тел при колебательном относительном микросмещении

Изнашивание при фреттинг-коррозии   Fretting corrosion wear

Коррозионно-механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях

Электроэрозионное изнашивание

Electro erosive wear

Эрозионное изнашивание поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока

* Усталостное изнашивание может происходить как при трении качения, так и при трении скольжения

Таблица 1.2 Явления и процессы при трении и изнашивании

Термин

Определение

Скачкообразное движение при трении*

Stick-slip motion

Явление чередования относительного скольжения и относительного покоя или чередования увеличения и уменьшения относительной скорости скольжения, возникающее самопроизвольно при трении движения

Схватывание

Adhesion

Явление местного соединения двух твердых тел, происходящего вследствие действия молекулярных сил при трении

Перенос материала

Transfer of material

Явление при трении твердых тел, состоящее в том, что материал одного тела соединяется с материалом другого и, отрываясь от первого, остается на поверхности второго

Заедание**

Seizure

Процесс возникновения и развития повреждений поверхностей трения вследствие схватывания и переноса материала

Задир

Scoring

Повреждение поверхности трения в виде широких и глубоких борозд в направлении скольжения

Царапание

Scratching

Образование углублений на поверхности трения в направлении скольжения при воздействии выступов твердого тела или твердых частиц

Отслаивание

Spalling

Отделение с поверхности трения материала в форме чешуек при усталостном изнашивании

Выкрашивание

Pitting

Образование ямок на поверхности трения в результате отделения частиц материала при усталостном изнашивании

Приработка

Runnig-in

Процесс изменения геометрии поверхностей трения и физико-химических свойств поверхностных слоев материала в начальный период трения, обычно проявляющийся при постоянных внешних условиях в уменьшении силы трения, температуры и интенсивности изнашивания

* Примером скачкообразного движения может служить движение, возникающее вследствие автоколебаний при понижении коэффициента трения с увеличением скорости скольжения.

** Заедание может завершаться прекращением относительного движения.

Вид изнашивания в первом приближении можно установить по внешнему виду поверхности трения.


Для окончательного суждения о виде изнашивания требуется анализ состава, физических и механических свойств тонких поверхностных слоев.

Вид повреждения не является присущим для данной пары трения, а зависит от условий эксплуатации деталей, образующих данную пару трения. Изменение условий эксплуатации приводит к изменению вида изнашивания рабочих поверхностей. При некоторых условиях трения одна деталь пары может подвергаться одному виду изнашивания, а другая – иному. Поскольку отдельные участки поверхности трения могут находиться в различных условиях смазывания, воздействия внешней среды и т.д., то на одной и той же поверхности могут располагаться участки с различными видами изнашивания.

Некоторые виды изнашивания, например, в результате схватывания или абразивного взаимодействия, могут иметь подвиды, характеризуемые различной формой протекания процесса, интенсивностью и внешними признаками. Во всех видах изнашивания в большей или меньшей степени проявляется водородное изнашивание. Действие водорода может выражаться в незначительном увеличении скорости изнашивания того или иного вида, а также в самостоятельном полном разрушении поверхностей трения.

При изнашивании увеличиваются зазоры в подшипниках, направляющих, зубчатых зацеплениях и т.д. Это приводит к снижению качественных характеристик машин и механизмов: мощности, КПД, надежности, точности и т.д.

Интенсивность изнашивания, а, следовательно, срок службы деталей зависит от давления, скорости скольжения, коэффициента трения, износостойкости материала. Уменьшение изнашивания достигается:

· смазкой трущихся поверхностей и защитой от загрязнения;

· применением антифрикционных материалов;

· специальными видами химико-термической обработки поверхностей и т.д.

Теплостойкость является важным критерием работоспособности ряда узлов машин. Нагрев деталей машин приводит к следующим последствиям:

· снижению прочности материала и появлению ползучести;

· снижению защищающей способности масляных пленок, а, следовательно, увеличению интенсивности изнашивания деталей;

· изменению зазоров в сопряжениях деталей, которое может привести к заклиниванию, к снижению точности работы машины.

Для предупреждения последствий перегрева на работу машины выполняют тепловые расчеты и при необходимости вносят соответствующие конструктивные изменения (увеличение поверхности теплоотдачи за счет оребрения корпуса, искусственное охлаждение).

Виброустойчивость характеризует работоспособность быстроходных машин. Вибрация вызывает дополнительные переменные напряжения и, как правило, приводит к усталостному разрушению деталей. В отдельных случаях снижается качество работы машин: увеличивается шум, снижается точность и т.д.

Правильно выбранный материал в значительной мере определяет качество деталей и машины в целом. При выборе материала деталей учитывают следующие факторы:

· соответствие свойств материала главному критерию работоспособности;

· требования к массе и габаритам;

· требования, связанные с назначением детали и условиями ее эксплуатации (противокоррозионная стойкость, фрикционные свойства, электроизоляционные свойства и т.д.);

· соответствие технологических свойств материала конструктивной форме и намечаемому способу обработки (штампуемость, свариваемость, литейные свойства, обрабатываемость резанием и т.д.);

· стоимость и дефицитность материала.