Мероприятия по повышению жесткости

1.
Рациональное расположе­ние опор. Расположение опор на расстоянии 0,223 l от концов уменьшает максимальный прогиб f балки под действием силы тяже­сти в 48 раз (рис. 2).

Рис. 2. Рис. 3

При конст­руировании узла вала конической шестерни следует выдерживать соотношение b/a= 2,5 (рис. 3).

2. Применение материалов с высо­ким модулем упругости: сталей, чугунов с шаровидным графитом.

3. Выбор рациональной формы сече­ния. Жесткость двутавра, равновеликого круглому цилиндрическому брусу, выше в 26 раз.

4. Повышение контактной жесткости в подвижных сопряже­ниях пригонкой и уменьшением волнистости и шероховатости по­верхностей, предварительным натягом.

Устойчивость — критерий работоспособности длинных и тонких стержней, а также тонких пластин, подвергающихся сжатию силами, лежащими в их плоскости, и оболочек, испытывающих внешнее дав­ление или осевое сжатие. Потеря устойчивости происходит при до­стижении нагрузкой критического значения; при этом происходит резкое качественное изменение характера деформации детали. Расчет деталей машин на устойчивость производят по формулам сопротив­ления материалов.

Впервые понятие устойчивости стало оцениваться более серьёзно после крушения моста в Канаде в Квебеке на реке Святого Лаврентия. 29 августа 1907 года за 15 минут до конца рабочего дня. При обрушении моста погибло 74 человека.

Износостойкость - свойство материала оказывать сопротив­ление изнашиванию. Под изнашиванием понимают процесс разру­шения и отделения вследствие трения материала с поверхности твердого тела, проявляющийся в постепенном изменении размеров или формы. Износостойкость — важнейший критерий работоспособности тру­щихся деталей машин. До 90% деталей подвижных сопряжений машин выходят из строя из-за износа. В результате износа сни­жаются коэффициент полезного действия, точность сопряжений, на­дежность, долговечность и экономичность деталей машин. Износ деталей значительно повышает стоимость эксплуатации машин в связи с необходимостью периодической проверки их состояния и ре­монта, что вызывает простои и снижает производительность машин.

Износостойкость зависит от физико-механических свойств ма­териала, термообработки и шероховатости поверхностей, от значе­ний давлений или контактных напряжений, скорости скольжения, наличия смазочного материала, режима работы и т.д.

Существуют различные виды изнашивания: усталостное, абразив­ное, адгезионно-механическое, эрозионное, коррозионно-механическое и др. Интенсивность изнашивания деталей машин зависит от формы, размеров, физико-химических свойств, условий нагружения и тепло­вого режима работы контактирующих поверхностей, а также физико-химических свойств смазочного материала. В зубчатых передачах, подшипниках качения и некоторых других механизмах при работе возникает усталостное изнашивание (выкрашивание), характерное для хорошо смазанных контактирующих поверхностей деталей машин, которые испытывают повторные контактные напряжения и работают в режимах качения и качения со скольжением.

Мероприятия по уменьшению изнашивания:

1. Следует избегать применения открытых поверхностей тре­ния, подверженных абразивному воздействию. Так, механические передачи современных подъемных кранов, лебедок выполняют в закрытом исполнении. Закрывают телескопическими кожухами на­правляющие станков. Применяют подшипники качения с защитны­ми шайбами, с встроенными уплотнениями.

2. Совершенствование уплотнительных устройств. Введение лабиринтных уплотнений подшипников увеличило их ресурс в ро­ликах конвейеров в 3 - 4 раза.

3. Обеспечение равномерного распределения давления по по­верхности; повышение поверхностной твердости (закалка снижает износ в 2 раза).

4. Обеспечение совершенного трения (гидродинамического, гидростатического, трения качения).

5. Замена внешнего трения внутренним. При малых перемеще­ниях применяют резинометаллические шарниры, в которых резино­вая втулка при вулканизирована к металлическим трубкам или зака­тана между ними.

Виброустойчивость - способность конструкции работать в диапазоне режимов, достаточно далеких от области резонанса. Вибраций снижают качество работы машин, увеличивают шум, вы­зывают дополнительные напряжения в деталях. Особенно опасны резонансные колебания.

В связи с повышением скоростей движения машин опасность виб­раций возрастает. Например, за последние 50 лет частота вращения двигателей внутреннего сгорания повысилась почти на порядок. По­этому расчеты на виброустойчивость приобретают все большее значе­ние.

Теплостойкость — важнейший критерий работоспособности мно­гих деталей. Работа некоторых машин сопровождается тепловыделе­нием, которое вызывается трением. Теплостойкость - способность конструкции работать в пре­делах заданных температур в течение заданного срока службы. Нагрев деталей в процессе работы машины приводит к:

1. Снижению механических характеристик материала и к появ­лению пластических деформаций - ползучести. Стальные детали, работающие при температурах ниже 300 °С, на ползучесть не рас­считывают.

2. Уменьшению зазоров в подвижных сопряжениях деталей и, как следствие, схватыванию, заеданию, заклиниванию.

3. Снижению вязкости масла и несущей способности масляных пленок. С повышением температуры вязкость минеральных нефтя­ных масел снижается по кубической параболе - очень резко

Расчеты на теплостойкость (теплообра­зование) механизмов, например зубчатых и червячных передач, в ко­торых тепловыделение происходит в результате работы сил трения, основаны на составлении уравнений теплового баланса. При расчете сопоставляют действительное повышение температуры механизма с допускаемым. Расчеты на теплостойкость деталей машин, находящихся в напряженном состоянии, заключаются в определении проч­ности по пониженным допускаемым напряжениям с учетом темпера­туры их нагрева.

Подробные сведения об определении числовых значений показате­лей надежности даны в ГОСТ 13377—75, некоторых других ГОСТах и специальной литературе.

Надёжность — это вероятность безотказной работы в течение заданного срока службы в определённых условиях. Показатели качества изделия по надежности: безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

Безотказность - свойство изделия непрерывно сохранять рабо­тоспособность в течение заданного времени. Показателем безотказности служит вероятность безотказной работы и интен­сивность отказов;

Долговечность - свойство изделия сохранять рабо­тоспособность до наступления предельного состояния при соблюде­нии норм эксплуатации. Под предельным понимают такое состояние изделия, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна. Долговечность определяется величинойвеличиной среднего и гамма-процентнного ресурса

Ремонтопригодность - свойство изделия, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспо­собности путем технического обслуживания и ремонта.

Сохраняемость — свойство объекта непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течение и после срока хранения и (или) транспортирова­ния.

Под вероятностью P(t) безотказной работы понимают вероят­ность того, что в заданном интервале времени или в пределах задан­ной наработки не возникает отказ изделия.

Если за время t наработки из числа N одинаковых изделий были изъяты из-за отказов nизделий, то вероятность безотказной работы изделия

P(t) = (N-n)/N=1- n/N. (2.7)

Так, например, если по результатам испытания в одинаковых условиях партии изделий из N = 1000 шт. после наработки 5000 ч наблюдали отказы n=100 шт. изделий, то вероятность безотказной работы этих изделий

Вероятность безотказной работы сложного изделия равна про­изведению вероятностей безотказной работы отдельных его элементов

P(t) = P₁(t)·P₂(t)…P_n(t) (2.8)

Если P₁(t) = P₂(t) =…= P_n(t), то P(t) = [P₁(t)]ⁿ. Отсюда следует, что чем больше элементов в изделии, тем ниже его надежность. Например, если изделие состоит из 10 элементов с вероятностью безотказной работы каждого элемента 0,9 (как в подшипниках каче­ния), то общая вероятность безотказной работы P(t) = 0,9¹⁰ = 0,35. Эксплуатация изделия с таким низким показателем P(t)нецелесооб­разна.

Практически в машиностроении полагают, что установленный ресурс работо­способности должны иметь не менее 90—95% общего числа примененных деталей данного типа. Для особо ответственных конструкций авиационной, космической, ядерной техники зна­чение γ достигает 100%.

Для обеспечения в этом случае приемлемой надежности си­стемы порядка Ρ(t)>0,9, надежность составляющих элементов должна быть очень высокой — P(t) более 0,99.

Существенного повышения надежности составных систем можно добиться путем применения схем с резервированием со­ставляющих элементов, однако это связано с усложнением конструкции и увеличением ее веса и стоимости.

Необходимо стремиться к созданию конструкций возможно высокой надежности, рассчитанных на экономически оптималь­ный срок службы, но без неоправданного завышения запасов прочности, технологических требований и т. д.

Минимальное значение показателей надежности выбирается на основе технико-экономического анализа. В большинстве прак­тических случаев Р_min(t) ≥ 0,90; для конструкций очень высокой ответственности достигает значений 0,98—0,99.

Интенсивность отказов λ(t). В разные периоды эксплуатации или испытаний изделий число отказов в единицу времени различно. Интенсивность отказов - отношение числа nотказавших в едини­цу времени t изделий к числу изделий (N - n),исправно работающих в данный отрезок времени, при условии, что отказавшие изделия не постанавливают и не заменяют новыми:

λ(t) = n/[(Ν-n)t]. (2.9)

Так, в рассмотренном выше примере при испытании 1000 изде­лий в интервале времени от 0 до 5000 ч число отказавших изделий 100. Это значит, что число исправно работающих изделий равно (1000 - 100). Согласно определению интенсивность отказов

λ (5000) = 100/[(1000 - 100) · 5000] = 0,000022 = 22 · 10^-6 1/ч.

Средние значения интенсивностей отказов составляют: подшипники качения - λ(t) = 1,5 · 10 ^-6 1/ч; ременные передачи -λ(t) = 15 · 10^-6 1/ч.

Вероятность безотказной работы можно оценить по интенсив­ности отказов

P(t) = 1 - λ(t) t. (2.10)

Так, если назначенный ресурс ременной передачи 2000 ч, а ин­тенсивность отказов λ(t) = 15 · 10^-6 1/ч, то вероятность безотказной работы передачи

P(2000) = 1 – 15∙10^-6 · 2000 = 0,97.

Для деталей машин в качестве показателя долговечности ис­пользуют средний ресурс (математическое ожидание ресурса в ча­сах работы, километрах пробега, миллионах оборотов) или гамма-процентный ресурс (суммарная наработка, в течение которой изде­лие не достигает предельного состояния с вероятностью γ, выражен­ной в процентах). Для изделий серийного и массового производства наиболее часто используют гамма-процентный ресурс: для подшип­ников качения, например, 90 %-ный ресурс.

ЛЕКЦИЯ № 3.