Критерии работоспособности

Детали машин должны с заданной вероятностью быть работоспособными в течение определённого срока службы при минимально необходимой стоимости их изготовления и эксплуатации. Для этого они должны удовлетворять критериям работоспособности: прочности, жёсткости, износостойкости, теплостойкости и др. Расчёты на прочность ДМ, испытывающих переменные нагрузки, можно вести по номинальным напряжениям, по коэффициентам запаса прочности с учётом концентрации напряжений и масштабного фактора или с учётом переменности режима работы. Наиболее обоснованным можно считать расчёт по заданной вероятности и безотказной работы. Расчёт ДМ на жёсткость обычно осуществляют из условия удовлетворительной работы сопряжённых деталей (отсутствие повышенных кромочных давлений) и условия работоспособности машины, например получения точных изделий на станке. Для обеспечения износостойкости стремятся создать условия для жидкостного трения, при котором толщина масляного слоя должна превышать сумму высот микронеровностей и др. отклонений от правильной геометрической формы поверхностей. При невозможности создания жидкостного трения давление и скорости ограничивают до установленных практикой или ведут расчёт на износ на основе подобия по эксплуатационным данным для узлов или машин того же назначения. Расчёты ДМ развиваются в следующих направлениях: расчётная оптимизация конструкций, развитие расчётов на ЭВМ, введение в расчёты фактора времени, введение вероятностных методов, стандартизация расчётов, применение табличных расчётов для ДМ централизованного изготовления. Основы теории расчёта ДМ были заложены исследованиями в области теории зацепления (Л. Эйлер, X. И. Гохман), теории трения нитей на барабанах (Л. Эйлер и др.), гидродинамической теории смазки (Н. П. Петров, О. Рейнольдс, Н. Е. Жуковский и др.). Исследования в области ДМ в СССР проводятся в Институте машиноведения, Научно-исследовательском институте технологии машиностроения, МВТУ им. Баумана и др. Основным периодическим органом, в котором публикуются материалы о расчёте, конструировании, применении ДМ, является «Вестник машиностроения».

Развитие конструирования ДМ происходит в следующих направлениях: повышение параметров и разработка ДМ высоких параметров, использование оптимальных возможностей механических с твёрдыми звеньями, гидравлических, электрических, электронных и др. устройств, проектирование ДМ на срок до морального старения машины, повышение надёжности, оптимизация форм в связи с новыми возможностями технологии, обеспечение совершенного трения (жидкостного, газового, качения), герметизация сопряжений ДМ, выполнение ДМ, работающих в абразивной среде, из материалов, твёрдость которых выше твёрдости абразива, стандартизация и организация централизованного изготовления.

Работоспособность — это состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданную функцию с параметрами, установленными требованиями технической документации, в течении расчётного срока службы. Отказ - это нарушение работоспособности.

Деталь должна быть работоспособна не вообще, а для конкретных условий работы, в зависимости, от которых, детали машин должны обладать ярко выраженными свойствами, которые обеспечивают работоспособность. В одних условиях важно, чтобы деталь под нагрузкой не ломалась, то есть, необходима прочность. В других условиях деталь быстро изнашивается, то есть, нужна износостойкость.

Критерий работоспособности — это свойства, при отсутствии или недостаточном проявлении которых, детали будут недееспособны. Основные критерии работоспособности:

· прочность

· жёсткость

· износостойкость

· виброустойчивость

· теплостойкость

· коррозионная стойкость

· точность

Выбор основного критерия зависит от функционального назначения деталей и их условий работы. Например, для крепежных изделий (болт, шпилька, заклёпка) основным критерием является прочность. А для ходовых винтов - износостойкость.

Для большинства машин главным критерием работоспособности является прочность.

Прочность (в физике) — свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих от внешних нагрузок.

Прочность по характеру нагрузок различают на: статическую, под действием постоянных нагрузок, усталостную (выносливость), имеющую место при действии циклических переменных нагрузок и ударную в машинах ударного действия или вследствие погрешностей изготовления.

В настоящее время при расчёте на прочность используют расчёт на допускаемые сопротивления. Основные уравнения:

где σ и τ - наибольшие расчётные нормальное и касательное напряжения, соответственно; [σ] и [τ] - допускаемые нормальное и касательное напряжения, безопасные для прочности детали.

Жёсткость — способность тела или конструкции сопротивляться образованию деформации (изменению форм под действием сил).

В случаях малых одномерных деформаций (в пределах зоны упругости, где справедлив Закон Гука) жёсткость можно определить как произведение модуля упругости Е (при растяжении, сжатии и изгибе) или G (при сдвиге и кручении) на соответствующую геометрическую характеристику сечения элемента, например, площадь поперечного сечения или осевой момент инерции.

Износостойкость - сопротивление материалов изнашиванию. Износостойкость деталей оценивается при испытаниях на стенде или в эксплуатационных условиях по длительности работы подвергаемых испытаниям материалов или изделий до заранее заданного или предельного значения износа. Износостойкость материалов определяется как их условная техническая характеристика при испытании на специальных лабораторных машинах, обеспечивающих моделирование реальных процессов изнашивания.

Износ - изменение размеров, формы, массы или состояния поверхности изделия вследствие разрушения (изнашивания) микрообъёмов поверхностного слоя изделия при трении.

Износ деталей машин, элементов строительных конструкций (например, ступеней лестниц) или предметов, одежды и др. зависит от условий трения, свойств материала и конструкции изделия. Износ можно рассматривать как механический процесс, осложнённый действием физических и химических факторов, вызывающих снижение прочности микрообъёмов поверхностного слоя. По условиям внешнего воздействия на поверхностный слой различают износ: абразивный, кавитационный, эрозионный и др. Износ приводит к снижению функциональных качеств изделий и к потере их потребительской ценности. Увеличению износостойкости изделий способствуют как применение материалов с высокой износостойкостью, так и конструктивные решения, обеспечивающие компенсацию износа, резервирование износостойкости и пр., общее улучшение условий трения (применение высококачественных смазочных материалов, защиты от абразивного воздействия и пр.).

Виброустойчивость – сопротивлению появлению в машинах вредных динамических нагрузок в виде вынужденных колебаний и автоколебаний (колебаний, вызываемых ими самими, например, при трении, резании и т.п.). В связи с повышением скоростей машин расчеты на виброустойчивость все более актуальны.

Теплостойкость – способность деталей сохранять работоспособность в машинах с большим выделением тепла в рабочем процессе (тепловые и электрические машины, машины для горячей обработки металлов). Теплостойкость ограничивает работоспособность машин в результате понижения прочности материала при нагреве, снижения несущей способности масляного слоя в трущихся парах и снижения точности в результате температурных деформаций. Температурные деформации лопаток турбин могут вызвать выборку зазоров и аварию машины.

Коррозионная стойкость – сопротивление металлов химическому или электрохимическому разрушению поверхностных слоев и коррозионной усталости. Коррозионная стойкость определяется сроком службы машин в коррозионной среде. Средства борьбы – специальное легирование или покрытия.

Точность – свойство машин работать в заданных пределах возможных отклонений параметров, например размеров. Точность диктуется требуемой точностью рабочего процесса машины и нормальной работой механизмов. Точность влияет на скорость машин и их деталей, в том числе и на скорость транспорта.