Общие положения расчета на прочность и конструирования деталей и узлов машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Общие положения расчета на прочность и конструирования деталей и узлов машин

Введение

Третий, последний раздел курса "Прикладная механика" посвящен основам расчета на прочность и конструирования деталей и узлов машин. В полном объеме это рассматривает дисциплина "Детали машин", предназначенная для студентов механических специальностей. Здесь мы изучим этот предмет в сокращенном объеме. Начнем с общих положений.

Деталь - это часть машины, изготавливаемая без сборочных операций. Детали бывают простыми (болты, шпонки и пр.) и сложными (корпуса, станины и т.д.).

Узел - это сборочная единица, состоящая из деталей и имеющая определенное функциональное назначение. Различают узлы простые, например, подшипник качения, и сложные, например, редуктор. В сложные узлы могут входить простые, называемые подузлами.

Будем изучать детали и узлы общего назначения, а именно:

- механические передачи;

- подшипники;

- валы и оси;

- муфты;

- неподвижные соединения деталей машин: резьбовые, заклепочные, сварные.

1. Требования, предъявляемые к деталям и узлам машин

Работоспособность - состояние узла (механизма), при котором его параметры находятся в пределах, установленных технической документацией. Например, если двигатель машины не развивает требуемой мощности, или редуктор перегревается, то машина становится неработоспособной.

Долговечность - свойство узла (механизма) сохранять работоспособность в течение определенного срока, называемого техническим ресурсом. Во время этого срока должно проводиться техническое обслуживание узла, а иногда и текущий ремонт.

Надежность - вероятность безотказной работы объекта. Отказ - это нарушение работоспособности. Сбой - легко устранимый отказ.

Ремонтопригодность - приспособленность объекта к отысканию и устранению отказов. То есть, конструкция должна быть по возможности простой для сборки и разборки.

Технологичность - соответствие узла или детали требованиям производства и эксплуатации. Конструктор объекта должен учитывать возможности завода, где этот объект будет изготавливаться, а также, условия, в которых этот объект будет эксплуатироваться.

Экономичность определяется стоимостью материала, производства и эксплуатации. Эта стоимость должна быть минимальной при прочих равных условиях. То есть, если две идентичных машины обладают одинаковой работоспособностью, долговечностью, надежностью и ремонтопригодностью, то лучше из них та, которая сделана из более дешевых материалов и более проста в изготовлении и эксплуатации.

2. Критерии работоспособности и расчета деталей машин

Такими критериями являются прочность, жесткость, износостойкость, теплостойкость, виброустойчивость.

Прочность - способность выдерживать приложенные нагрузки без разрушения. Различают разрушение детали от потери статической прочности и от потери сопротивления усталости.

Условие статической прочности:

где: у - напряжение в детали;

у _в - предел прочности материала детали.

Если деталь при работе подвержена периодическим знакопеременным нагрузкам, то по истечении определенного времени она может разрушиться от потери сопротивления усталости. После определенного числа циклов напряжений на поверхности деталей, в концентраторах напряжений, возникают микротрещины. Напомним, что концентраторами напряжений детали являются те ее элементы, которые прерывают непрерывность ее поверхности и плавность ее формы, например, канавки и галтели на валах и осях, шпоночные пазы, отверстия и пр. Кроме того, микротрещины могут возникнуть и на плавных поверхностях детали в зоне контактных нагрузок (поверхности зубьев шестерен, рабочие поверхности колец подшипников качения и т.д.). Концентраторами напряжений в этом случае являются дефекты материала - раковины, или следы механической обработки поверхности - риски. деталь машина работоспособность прочность

Условие сопротивления усталости:

где у - ₁ - предел выносливости материала детали.

Жесткость - способность сопротивляться образованию деформаций под действием нагрузок. Различают статическую жесткость и виброжесткость, то есть, способность сопротивляться деформациям при знакопеременных цикличных нагрузках.

Износостойкость - способность сопротивляться износу. Износ - это процесс постепенного изменения размеров в результате трения. Трение - это неизбежный процесс, сопровождающий работу любой машины, не смотря на самые современные системы смазки. Процесс износа в течение срока службы детали можно представить графически так, как это показано на рис. 18.1, где д - величина износа трущейся поверхности, t - время работы.

Рис. 1

На этом рисунке t ₁ - время приработки: в новых деталях машины в процессе трения происходит процесс сглаживания микронеровностей. После этого начинается нормальная работа машины с нормальным износом трущихся поверхностей деталей. Это время (t ₂ на рис. 1) в правильно спроектированной машине может быть очень большим - тысячи и десятки тысяч часов. Общее время работы детали в машине не должно быть больше суммарного времени приработки и нормального износа (t ₁ + t ₂), после чего необходим восстановительный ремонт или замена детали. В противном случае наступает катастрофический износ детали, время которого t ₃ невелико, а результатом которого может явиться потеря работоспособности и поломка детали и узла машины. Для увеличения срока службы принимают меры по защите трущихся поверхностей от грязи, пыли и попадания влаги, так как коррозия убыстряет процесс износа.

Теплостойкость - способность детали и узла работать в определенном температурном режиме. Перегрев может вызвать следующие отрицательные последствия.

1. Снижение прочности и появление ползучести. Экспериментально установлены следующие температурные ограничения:

- для конструкционной стали (300 ч 400) єС;

- для алюминиевых сплавов (150 ч 200) єС;

- для титановых сплавов (450 ч 550) єС;

- для жаропрочных сталей 1000єС;

2. Повышение износа из-за нарушения работы масла. Консистенция масла уменьшается, наступает непосредственный контакт трущихся поверхностей, что приводит к задирам и потери работоспособности.

3. Увеличение или уменьшение зазоров в кинематических парах, что может привести к ударам или повышенному трению.

4. Возникновение температурных напряжений, которые могут превысить допустимые.

Виброустойчивость - способность детали и узла работать в требуемом диапазоне угловых скоростей и угловых частот колебаний машины. Из теории механизмов и машин известно, что любая машина является источником виброактивности, то есть, работа любой машины сопровождается неизбежными вибрациями. Это учитывается при конструировании деталей и их соединений. Ярким примером здесь служат летательные аппараты, в которых для создания неразъемных соединений алюминиевых деталей корпусов и обшивки используются не сварные швы, а заклепочные соединения. Микротрещина, появившаяся в результате вибраций в сварном алюминиевом шве может быстро увеличиться и распространиться на весь шов. Заклепочные швы более надежны, так как микротрещина в одной заклепке может вызвать разрушение только этой заклепки, а не шва в целом.

3. Особенности расчета на прочность деталей машин

Подобно тому, как в динамических расчетах реальная машина заменяется ее динамической моделью, при расчете на прочность реальная конструкция детали и приложенные к ней нагрузки заменяются моделью детали и расчетной схемой. При моделировании происходит неизбежное упрощение конструкции детали и схемы приложенных к ней нагрузок. При этом надо уметь правильно выделить главное и отбросить второстепенное. Следует использовать накопленный опыт, нормы и рекомендации, которые изложены в специальной справочной литературе по деталям машин. Однако, в любом случае, в результате предпринятых упрощений инженерный расчет становиться приближенным. Недостаточная точность расчета компенсируется коэффициентом безопасности (коэффициентом запаса прочности). Выбор этого коэффициента является ответственным этапом расчета, особенно при конструировании деталей и узлов летательных аппаратов.

Согласно назначению, различают два вида расчетов на прочность: проектный и проверочный. Проектный расчет имеет целью определить главные размеры детали, исходя из нагрузок, действующих на эту деталь, и материала детали. Цель проверочного расчета - найти напряжения, возникающие в детали, которая имеет определенные размеры, сделана из определенного материала и работает под действием известных нагрузок, и убедиться, что эти напряжения не больше допускаемых.

Из этих определений следует, что проектный расчет предшествует конструированию детали, а проверочный расчет выполняется после конструирования детали. При проверочном расчете учитываются действительные главные размеры и форма детали, которые после конструирования могут отличаться от предварительно определенных при проектном расчете.

В качестве примера ниже приведены условия прочности и формулы проектного и проверочного расчетов для простейших случаев растяжения, изгиба и кручения круглого бруса.

Растяжение (рис. 2а).

Условие прочности:

где: F - растягивающая сила в Н;

S - площадь поперечного сечения стержня в мм²:

(d - диаметр стержня в мм);

[у]- допускаемое напряжение растяжения в МПа.

Проектный расчет:

(мм)

Проверочный расчет:

(МПа)

Изгиб (рис. 18.2б).

Условие прочности:

где: М - изгибающий момент в Нм;

W - осевой момент сопротивления сечения стержня в мм ³:

[_И]- допускаемое напряжение изгиба в МПа.

Проектный расчет:

(мм)

Проверочный расчет:

(МПа)

Кручение (рис. 18.2в)

Условие прочности:

где: Т - крутящий момент в Нм;

Рис. 2

W_р - полярный момент сопротивления сечения стержня в мм ³:

[]- допускаемое напряжение кручения в МПа.

Проектный расчет:

(мм)

Проверочный расчет:

(МПа)

Рекомендуемая литература

1. Авиационные зубчатые передачи и редукторы. Справочник. Под редакцией Булгакова Э.Б. Москва, "Машиностроение", 1981.

2. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В трех томах. Москва, "Машиностроение", 1982.

3. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике. Том III. Зуб¬чатые механизмы. М., Наука, 1973.

4. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. М., Наука, 1975.

5. Бернштейн С.А. Сопротивление материалов. М., "Высшая школа", 1961.

6. Гавриленко Б.А. и др. Гидравлический привод. М., Машиностроение, 1968.

7. Детали машин. Атлас конструкций. Под ред. Решетова Д.Н. Москва, "Машиностроение", 1989.

8. Иванов М.Н. Детали машин. Москва, "Высшая школа", 1991.

9. Коловский М.З. Динамика машин. Л., Ленинградский политехнический институт, 1980.

10. Основы расчета и конструирования деталей летательных аппаратов. Под ред. Кестельмана В.Н. Москва, 1989.

11. Пневмопривод систем управления летательных аппаратов. Под ред. Чашина В.А. М., Машиностроение, 1987.

12. Прикладная механика. Под ред. Осецкого В.М. М., "Машиностроение", 1977.

13. Пятаев А.В. Теория механизмов и машин. Учебное пособие. Ташкент, Ташкентский государственный авиационный институт, 2001.

14. Пятаев А.В. Динамика машин. Ташкентский политехнический институт. Ташкент, 1990.

15. Пятаев А.В. Детали машин. Учебное пособие. Ташкент, Ташкентский государственный авиационный институт, 2004.

16. Справочник машиностроителя, том 3. Под редак¬цией Ачеркана Н.С. Москва, Машгиз, 1963.

17. Справочник машиностроителя, том 4, книги I и II. Под редак¬цией Ачеркана Н.С. Москва, Машгиз, 1963.

18. Теория механизмов и машин. Под ред. Фролова К.В. М., Высшая школа, 1987.

19. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М., Физматгиз, 1959.

20. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. Под редакцией Крагельского И.В. и Алисина В.В. Москва, "Машиностроение", 1978.

Размещено на Allbest.ru