Факторы, определяющие работоспособность механизмов и их деталей

 

Качество механизма. Качеством механизма называется совокупность свойств, определяющих степень пригодности использования его по назначению. Механизм должен удовлетворять требованиям, указываемым в техническом задании на проектирование. В общем случае качество конструкции механизма определяется: а) простотой конструкции; б) технологичностью; в) экономичностью (высоким КПД); г) размерами и массой; д) надежностью и долговечностью.

Технологичность конструкции механизма определяется удобством изготовления и сборки его деталей, а также степенью использования стандартизованных и унифицированных деталей и сборочных единиц.

Изготовление простых деталей менее трудоемко, не требует специального сложного оборудования и инструмента.

Важнейшим показателем эксплуатационного качества механизма является надежность, которая характеризуется вероятностью безотказной работы с необходимой точностью на протяжении заданного времени и в заданных условиях эксплуатации, а также необходимой прочностью деталей, рациональной жесткостью, износостойкостью, виброустойчивостью, теплостойкостью.

Прочность. Поломки и большие остаточные деформации деталей из-за их недостаточной прочности могут стать причинами отказа в работе и потери точности механизма. Опасные напряжения в деталях, приводящие к разрушению, могут возникнуть не только от рабочих усилий, но и от сил, обусловленных вибрацией, тряской при эксплуатации (например, в авиационных приборах) и транспортировке.

Недостаточная объемная прочность деталей механизма чаще всего проявляется сразу, т.е. приводит к явному отказу в работе, в то время как недостаточная поверхностная прочность большей частью является причиной постепенной потери работоспособности. Например, появление выкрашивания рабочих поверхностей в шарикоподшипниках и зубчатых передачах ведет к увеличению потерь на трение, нагреву, повышению динамических нагрузок и износа.

Износостойкость. Работе любого механизма сопутствует изнашивание - процесс постепенного изменения размеров и формы деталей при трении. При скольжении трущихся поверхностей нарушаются фрикционные связи, что сопровождается деформированием, оттеснением материала, срезом внедрившегося материала. Износ может иметь несколько иную природу, когда между соприкасающимися поверхностями попадают твердые частицы (абразивы), царапающие и срезающие частицы металла.

Износ поверхностей подвижно соединенных деталей изменяет характер сопряжения, что приводит к ухудшению условий работы и снижению прочности деталей механизмов.

Жесткость. Деформации деталей механизмов возникают из-за действия сил, изменения температуры, наличия остаточных напряжений и приводят к изменению размеров и формы деталей, характера их сопряжения. Чрезмерные деформации существенно влияют на работоспособность механизма. Так, например, изгиб валов вызывает неравномерный износ, увеличение сил трения и даже заедание в подшипниках скольжения, ухудшает условия работы подшипников качения, является одной из причин неравномерного распределения нагрузки по контактным площадкам кинематических пар.

Теплостойкость. Для нормального функционирования многих машин и приборов необходимо обеспечить определенный температурный режим, т.к. обильное тепловыделение и плохой отвод тепла могут привести к различным неполадкам и неисправностям. Так, при повышении температуры стальных деталей свыше 300-400^оС, а деталей из легких сплавов и пластмасс - до 100-150^оС наблюдается понижение их нагрузочной способности.

Выделяемое тепло ухудшает свойства применяемых смазок (понижается вязкость), что может привести к повышенному износу или заеданию сопряженных поверхностей.

Даже небольшое изменение температуры деталей механизма вызывает температурные деформации, изменяющие размеры деталей и характер сопряжения в подвижных соединениях. Большая температурная погрешность возникает в приборах с упругими элементами, модуль упругости материала которых зависит от температуры.

Виброустойчивость. Под виброустойчивостью понимают способность механизма работать при воздействии вибраций. Вибрации влияют на силы трения, могут привести к усталостному разрушению детали. Особенно опасно явление резонанса, которое наступает в случае совпадения частот собственных колебаний детали и периодически действующих сил, вызывающих вибрации.

 

 

Материалы

 

При выборе материалов необходимо учитывать механические, технологические и физико-химические свойства, а также стоимость и дефицитность их. Для изготовления деталей в машиностроении и приборостроении широко применяются чугуны и стали, сплавы цветных металлов, особенно на основе меди и алюминия, а также неметаллы.

Чугуны. Чугунами называются железоуглеродистые сплавы, содержащие больше 2% углерода. Они обладают хорошими литейными свойствами и худшими по сравнению со сталями пластическими свойствами. В зависимости от структуры чугуны делятся на белые, ковкие и серые. Белые чугуны обладают высокой твердостью и хрупкостью, плохо обрабатываются резанием. Ковкие чугуны высокопластичны, хорошо обрабатываются, имеют большую плотность. Стоимость изготовления деталей из этих чугунов на 30-100% превышает стоимость изготовления деталей из серого чугуна.

Серые чугуны (ГОСТ 1412-70) обладают средней прочностью, малой ударной вязкостью, наилучшими литейными свойствами, хорошо обрабатываются резанием и демпфируют колебания, поэтому находят широкое применение.

Стали. В зависимости от содержания углерода стали делятся на низкоуглеродистые (С£0,25%), среднеуглеродистые (С=0,25...0,60%) и высокоуглеродистые (С>0,6%). При малом содержании углерода, стали, обладают высокой пластичность и свариваемостью. С увеличением содержания углерода повышается прочность, уменьшается пластичность и ухудшается свариваемость.

Для улучшения механических свойств сталей применяют легирующие присадки: никель, хром, молибден, вольфрам, титан, марганец, кремний и пр. Введение легирующих примесей увеличивает стоимость стали.

По способу производства различают стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные; по применению - стали строительные, конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами.

Углеродистые стали обыкновенного качества (группа Б по ГОСТ 380-71) применяются для изготовления корпусных деталей методом штамповки или сварки, а также для изготовления крепежных деталей. Качественные (ГОСТ 1050-74) и легированные стали (ГОСТ 4543-71) применяются для изготовления различных деталей машин: валов, осей, зубчатых колес, червяков, фрикционных катков и т.п.

Латуни. Двойные сплавы, состоящие из меди и цинка, и многокомпонентные (ГОСТ 1020-77Е), имеющие в своем составе также алюминий, железо, марганец, свинец, никель и другие добавки, которые изменяют механические и физические свойства, называются латунями. Они обладают хорошими механическими свойствами, коррозионной стойкостью. Стоимость латуни превышает стоимость качественной стали 45 примерно в 5-6 раз.

Бронзы. Различают бронзы оловянистые (медные сплавы, в которых основным легирующим компонентом является олово) и безоловянистые (двойные или многокомпонентные медные сплавы, содержащие в качестве легирующих элементов алюминий, никель, кремний и пр.). Оловянистые бронзы (ГОСТ 613-79) обладают высокими антифрикционными и литейными свойствами, а также высокой коррозийной стойкостью. Применяют их в качестве антифрикционных материалов, для изготовления арматуры и т.п. Бронзы (ГОСТ 5017-74) применяют для вкладышей подшипников скольжения, венцов червячных колес, упругих элементов приборов, токопроводящих деталей. Стоимость бронзы превышает стоимость стали 45 в среднем в 10 раз.

Алюминиевые сплавы. Эти сплавы делятся на литейные (АЛ) (ГОСТ 2685-75), имеющие хорошие литейные свойства, и деформируемые (АД) (ГОСТ 4784-74), хорошо обрабатывающиеся давлением. Алюминий-магниевые и алюминий-медные сплавы (дуралюмины) применяются для изготовления нагруженных деталей (корпусов, оснований, шасси, заклепок, трубопроводов, емкостей и т.д.), алюминий-кремнистые литейные сплавы (силумины) - для изготовления средненагруженных корпусных деталей и деталей сложной конфигурации. Стоимость алюминиевых сплавов превышает стоимость стали в среднем в четыре раза.

Баббиты. Для заливки вкладышей подшипников применяются легкоплавкие антифрикционные сплавы (баббиты) на оловянной или свинцовой основе (ГОСТ 1320-74). Они имеют по сравнению с другими антифрикционными материалами самый малый коэффициент трения, хорошо прирабатываются, дают возможность работать при высоких скоростях и давлениях. Стоимость баббитов, в несколько раз превышающая стоимость бронз, ограничивает их применений.

Биметаллы. Кроме перечисленных металлов и сплавов, распространение получили биметаллы и полиметаллы, состоящие соответственно из двух или несколько различных по химическому составу металлов или сплавов, не образующих между собой сплава или химического соединения. Биметаллы - соединения из черных металлов с дефицитными металлами и сплавами - получают различными технологическими способами: отливкой, пайкой, сваркой, металлическим покрытием, плакированием, прокаткой и пр. применение таких биметаллов существенно снижает стоимость деталей.

Соединением металлов с различными коэффициентами линейного расширения получают биметаллические пружины, широко используемые для температурной компенсации деформаций и т.п.

Композиционные материалы. Объемные сочетания химически разнородных компонентов (упрочнителей и матриц) с волокнистой или слоистой структурой называют композиционными материалами. Применение армирующих волокон (стеклянных, углеродных и др.) в сочетании с металлическими или неметаллическими матрицами позволяет получить материалы с особыми регулируемыми свойствами (высокими сопротивлением усталости, вибропрочностью и др.).

Пластмассы. Пластические массы представляют собой материалы, полученные на основе природных или синтетических полимеров. Пластмассы, допускающие формирование при неоднократном нагреве по давлением, называют термопластами [винилпласт (ГОСТ 9639-71) и др.]; пластмассы, формирующиеся при нагреве и давлении только в определенной стадии производства и затем теряющие эту способность, называются реактопластами [текстолит (ГОСТ 5-72) и др.].

Обычно пластмассы состоят из полимеров (связующей основы) и наполнителя. Полимеры существенно влияют на их механическую прочность, диэлектрические и антифрикционные свойства, водостойкость, химическую стойкость. Наполнители могут иметь органическое (древесная мука, ткани) и неорганическое (асбестовая бумага, стеклянная ткань) происхождение. Наполнители существенно влияют на механическую прочность деталей, как бы составляя ее механический каркас. Пластмассы по прочностным характеристикам могут приближаться к металлам, а по коррозионной стойкости превосходят их, имеют меньший вес, устойчивы к действию повышенных и низких температур, обладают высокой стойкостью к действию химических реагентов. Применение их взамен металлов в ряде случаев снижает стоимость изделий.

Резина. Свойства резины зависят от ее состава, технологии изготовления. Различают резины из натурального и синтетического каучука, саженаполненные и бессажные, формованные и т.д. В зависимости от назначения они подразделяются на мягкие - для изготовления пневматических шин, жесткие - для изготовления электротехнических изделий (эбонит), пористые - для изготовления амортизаторов. Армирование резины тканями повышает ее механические свойства.

Смазочные материалы. Работоспособность механизмов существенно зависит от правильного выбора смазочных материалов. Пригодность масел определяется по их вязкости и маслянистости. Под вязкостью, или внутренним трением смазки, понимают свойство одного слоя жидкости сопротивляться сдвигу по отношению к другому. Оценка вязкости производится в абсолютных (динамическая вязкость) и относительных (кинематическая вязкость) единицах.

Динамическая вязкость h измеряется в паскаль-секундах (Па·с). Кинематическая вязкость, представляющая собой отношение динамической вязкости к плотности масла, измеряется в стоксах (10^-4 м²/с) или единицей, в 100 раз меньшей, сантистоксом (сСт).

Наиболее распространенными смазочными материалами являются жидкие и пластичные смазки. К жидким смазкам относятся минеральные (нефтяные), растительные и животные масла. Для смазки механизма общего назначения применяются минеральные масла [индустриальные (ГОСТ 20799-75), цилиндровое, сепараторное и др.] с вязкостью 4-60 сСт при температуре 50^оС. Из растительных масел применяют льняное и касторовое.

Пластичные смазки (мази) представляют собой смеси загущенных жидких минеральных масел с маслами животного и растительного происхождения. в качестве загустителей применяют кальциевые и натриевые мыла или углеводороды (парафин). Основные кальциевые смазки - консталин, натриевые - солидол (ГОСТ 4366-76).

При работе механизмов и приборов в химически активных средах, вакууме, при высоких температурах применяют твердые смазки (дисульфид молибдена, графит, тальк и др.), которые образуют на поверхности твердую адсорбированную смазывающую пленку толщиной 1-6 мкм.