Оценка надёжности и долговечности конструкций машиностроения на стадии проектирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка надёжности и долговечности конструкций машиностроения на стадии проектирования

Требования к долговечности и надёжности промышленных изделий, в том числе различных машин, постоянно возрастают. Поэтому в последние годы усиленно разрабатываются различные аспекты теории надёжности. Во многих отраслях машиностроения основным направлением создания надёжных машин с длительными сроками эксплуатации являются ускоренные ресурсные испытания. Однако этот путь может быть реализован только в массовом производстве, поскольку требует дорогостоящего испытательного оборудования. Для большинства предприятий и отраслей с серийным производством это обстоятельство является непреодолимым, что обрекает их на чрезмерно длительные периоды доводки машин после анализа данных об их реальной эксплуатации. В результате машина доводится тогда, когда её уже необходимо снимать с производства как устаревшую технику.

Наиболее эффективным путём создания машин с требуемыми показателями надёжности и долговечности является максимальное использование для этих целей этапа проектирования. Общая последовательность расчёта надёжности и долговечности изделий машиностроения соответствует последовательности процесса их проектирования - от машины к её сборочным единицам, а затем и к деталям. На начальном этапе проектирования любой конструкции, машины и её элементов необходимо предусмотреть возможные виды разрушения, проанализировать их и принять меры к тому, чтобы при эксплуатации по возможности отдалить процесс разрушения.

Основными задачами, которые приходится решать каждому конструктору при анализе прочности и выборе средств предотвращения разрушения конструкции, являются установление наиболее вероятных из разнообразных видов механического разрушения, встречающихся в инженерной практике, и оценка возможности разрушения конструкции в процессе её эксплуатации.

Под механическим разрушением принято понимать любое изменение размера, формы или свойств материала конструкции, машины или отдельной детали, вследствие которого изделие уже не может удовлетворительно выполнять свои функции. Основной задачей проектировщика является создание такой конструкции, которая выполняла бы предназначенные ей функции в течение заданного срока и при этом была бы конкурентоспособной. Успешное создание конкурентоспособных изделий, которые не разрушались бы преждевременно, может быть осуществлено лишь при умении предвидеть и оценивать вероятность всех возможных видов разрушения, представляющих опасность для создаваемых конструкций. Чтобы выявить возможные виды разрушения, необходимо иметь представление о встречающихся на практике видах разрушения и об условиях, при которых они могут происходить. Если проектировщик желает добиться успеха в предотвращении разрушения в течение заданного срока эксплуатации изделия, он должен хорошо владеть аналитическими и эмпирическими методами оценки возможности разрушений. Исследование разрушения, его предвидение и предотвращение являются важнейшими задачами конструктора.

Проектирование представляет собой итерационный процесс, целью которого является создание новой или усовершенствование уже существующей технической системы для удовлетворения потребностей или желаний человека при условии экономного расходования ресурсов и соблюдении требований охраны окружающей среды. При создании сложных технических систем условия абсолютной оптимальности конструкции зачастую невозможно определить, а тем более создать такую конструкцию практически невозможно. Если даже и удастся определить условия оптимальности конструкции, создание её может потребовать очень больших затрат. Конкуренция часто требует улучшения характеристик конструкции, увеличения срока её эксплуатации, снижения веса или уменьшения стоимости. Это означает, что конкуренция вызывает необходимость оптимизации конструкции инженерными средствами по её характеристикам, сроку эксплуатации, массе, стоимости или по комбинациям перечисленных критериев.

Появление новых материалов, необходимость повышения эксплуатационных скоростей и температур, необходимость снижения массы, уменьшения объёма, увеличения сроков эксплуатации, снижения стоимости и достижение экологической совместимости - всё это вызывает необходимость совершенствования расчётов на этапе проектирования. Возникает необходимость более тщательно исследовать поведение материалов, внимательнее изучать особенности условий эксплуатации, добиваться лучшего понимания разнообразных видов механического разрушения. Особого внимания требует понимание особенностей напряжённо-деформированного состояния при динамическом нагружении в неблагоприятных условиях и влияние полей остаточных напряжений, возникающих в процессе изготовления. Практически во всех реальных материалах и конструкциях с самого начала существуют трещиноподобные дефекты, что заставляет разрабатывать новые и совершенствовать существующие методы, позволяющие исследовать распространение трещин в условиях как постоянных, так и циклических нагружений. Возможности контроля и ремонта стали такими же важными критериями качества конструкции, как надёжность и работоспособность.

Противоречащие требования увеличения мощности и уменьшения размеров можно удовлетворить, применяя более прочные и жёсткие материалы, либо эффективнее используя прочность и жёсткость имеющихся материалов. Именно вторая возможность в условиях постоянно возрастающих требований к технике завтрашнего дня заставляет конструктора в полной мере использовать доступные ему аналитические методы, инженерный опыт, творческую выдумку и интуицию.

Поставленные задачи проектирования могут быть достигнуты анализом и учётом следующих факторов:

1. Все детали изделия должны передавать нагрузку и совершать необходимые движения эффективно и экономично.

2. Долговечность каждой детали должна быть не менее запланированного срока эксплуатации.

3. Каждая деталь должна выполнять предназначенную ей функцию, не мешая функционированию других частей машины.

4. Форма каждой детали должна удовлетворять требованиям изготовления и монтажа в машине.

5. Стоимость готовой детали должна соответствовать её назначению.

6. Масса и объём детали должны соответствовать назначению.

7. Должна быть обеспечена возможность монтажа-демонтажа, обслуживания и ремонта в процессе всего срока эксплуатации конструкции деталей, для которых это требуется.

8. Машина или конструкция должна не только удовлетворительно функционировать в течение заданного срока эксплуатации, но и быть конкурентоспособной и прибыльной для изготовителя.

Возможные виды механического разрушения должны характеризоваться сочетанием трёх факторов: характера, причин и места разрушения. По характеру разрушения выделяют упругую либо пластическую деформацию, разрыв, изменение материала. Причинами разрушения являются нагрузки, время процесса, температура и воздействие окружающей среды. По месту разрушения делят на объёмные и поверхностные разрушения. Учитывая перечисленные факторы, механические разрушения имеют следующие разновидности:

1. Упругая деформация, вызванная действием внешних нагрузок и температуры.

2. Текучесть.

3. Разрушение вдавливанием, или бринелирование.

4. Вязкое разрушение.

5. Хрупкое разрушение.

6. Усталость: многоцикловая, малоцикловая, термическая, поверхностная, ударная, коррозионная, фреттинг-усталость.

7. Коррозия: химическая, электрохимическая, щелевая, точечная, межкристаллическая, избирательное выщелачивание, эрозионная, кавитационная, водородное повреждение, биологическая, коррозия под напряжением.

8. Износ: адгезионный, абразивный, коррозионный, поверхностный усталостный, деформационный, ударный, фреттинг-износ.

9. Разрушения при ударе: разрыв, деформирование, износ, усталость, ударный фреттинг.

10. Фреттинг происходит на поверхности контакта двух твёрдых тел, прижатых друг к другу нормальной силой и совершающих относительно друг друга циклические движения малой амплитуды.

11. Ползучесть.

12. Термическая релаксация.

13. Разрыв при кратковременной ползучести.

14. Тепловой удар.

15. Заедание и схватывание.

16. Откол.

17. Радиационное повреждение.

18. Выпучивание.

19. Выпучивание при ползучести.

20. Коррозия под напряжением.

21. Коррозионный износ.

22. Коррозионная усталость.

23. Ползучесть с усталостью.

При оценке возможности разрушения элемента конструкции или при проектировании неразрушающейся конструкции разработчик должен на стадии проектирования определить вероятные виды разрушения; выявить соответствующие характеристики, по которым аналитически можно судить о степени опасности воздействия нагрузок и условий окружающей среды; подобрать материал и геометрию проектируемого изделия; определить предельные характеристики прочности материала, соответствующие вероятным видам разрушения. Следующим действием должен быть расчёт значений установленных характеристик состояния при заданных нагрузках и условиях окружающей среды и сопоставление расчётных значений с критическими характеристиками прочности материала. Если расчётные значения выбранных параметров будут равны или превышать критические значения параметров сопротивления материалов, вероятны разрушения конструкции.

Литература

1. Арасланов, А.М. Расчёт элементов конструкций заданной надёжности при случайных воздействиях [Текст] / А.М. Арасланов. - М.: Машиностроение, 1987. - 128 с.

2. Коллинз, Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение [Текст] / Дж. Коллинз. - М.: Мир, 1984. - 624 с.

3. Хазов, Б.Ф. Справочник по расчёту надёжности машин на стадии проектирования [Текст] / Б.Ф. Хазов, Б.А. Дидусев. - М.: Машиностроение, 1986. - 224 с.

4. Шишмарев В.Ю. Надёжность технических систем: учебник [Текст] / В.Ю. Шишмарев. - М.: Академия, 2010. - 288 с.

Размещено на Allbest.ru