Требования к деталям машин

Условия эксплуатации. Требования к объектам определяются условиями их эксплуатации и обслуживания. В первую очередь следует выделить две основные группы воздействия на технические объекты: механические и климатические. Кроме них возможны химические, биологические, радиационные, магнитные, электрические, электромагнитные и другие воздействия. Обеспечение стойкости к таким воздействиям необходимо для нормального функционирования механизмов, узлов и деталей.

Механические воздействия. Они связаны с эксплуатацией и транспортировкой, включают в себя нагрузки, вибрации, удары. Инерционные нагрузки при движении могут достигать больших величин, например у летательных аппаратов (ЛА) до нескольких десятков g, и должны учитываться в расчетах на прочность. Стойкость к вибрации определяется вибропрочностью и виброустойчивостью. Вибропрочность характеризуется способностью конструкции противостоять разрушающему действию вибрации в заданных диапазонах частот и оставаться работоспособной после длительного действия вибрации. Виброустойчивость характеризуется сохранением работоспособности конструкции в условиях вибрационных нагрузок. Так, при транспортировке и работе механизма его элементы испытывают вибрацию, которая опасна тем, что при ее воздействии происходит отвинчивание резьбовых деталей агрегатов и механических узлов. Устраняется это явление с помощью обязательного стопорения, применяемого па автомобилях, судах и других изделиях.

Климатические воздействия. Эти воздействия характеризуются следующими компонентами: температурой, давлением, влажностью, грязью и пылью.

Требование стойкости к изменению температур определяется необходимостью сохранения механических характеристик материала и вязкости жидкостей. В процессе эксплуатации на машины и их элементы могут действовать высокие и низкие температуры. Низкие температуры приводят к хладоломкости. Материал и сварные швы с понижением температуры становятся хрупкими и легко разрушаются при циклическом и ударном нагружении. Пригодность материала по этому показателю определяется ударной вязкостью KCU — отношением работы разрушения надрезанного образца к площади поперечного сечения в месте надреза. Диапазон температур внешней среды при эксплуатации технических объектов в России обычно не превышает интервала −60…+60°С. Следует отметить, что в случае ударного или циклического нагружения некоторые металлы нельзя использовать даже при отрицательной температуре — 60 °C, например сталь 3, ударная вязкость которой снижается с 100 Дж/см2 при t = 20 °C до 5−10 Дж/см2 при t = -50°С. В промышленности для изготовления деталей машин обычно применяют конструкционные стали с KCU > 5−10 Дж/см2 и крайне редко — материалы с KCU < 2 Дж/см2. При высоких требованиях к конструкции металлические детали, подвергающиеся ударному нагружению (например, элементы передач), должны иметь в диапазоне рабочих температур ударную вязкость не ниже 10−50 Дж/см2. Диапазон эксплуатационных температур следует учитывать и при подборе смазочных и неметаллических материалов. Так, смазочный материал при низких температурах становится более вязким или загустевает. Например, ЦИАТИМ-221 загустевает при t = -60°С, а ВНИИ НП-284 — при t = -110°С. Загустение смазочного материала нарушает нормальную работу механизмов. Резиновые шайбы, используемые в мягких амортизаторах, при понижении температуры вначале резко увеличивают жесткость, а при t = -60°С становятся хрупкими. Пластмассы при сильном охлаждении могут терять эластичность и становятся хрупкими. Для полимерных материалов опасны резкие изменения температуры, приводящие к их разрушению. Детали ряда машин в процессе эксплуатации подвергаются интенсивному нагреву. В результате понижается прочность деталей (понижается предел прочности и предел выносливости) и может появиться ползучесть. Она характеризуется непрерывной пластической деформацией при длительном нагружении. Теплостойкость таких элементов обеспечивается путем специальных исследований и последующих мероприятий. Изменение температуры также приводит к изменению зазоров в подвижных соединениях, что связано с разными коэффициентами линейного расширения различных материалов элементов или с неравномерным нагревом.

На работу машин может влиять давление. Элементы машин, работающие в вакууме, должны удовлетворять требованию стойкости к пониженному давлению. Низкое давление сильно влияет в основном на неметаллические материалы, когда в вакууме происходит их сублимация. Наиболее заметно она проявляется у полимерных материалов, резин, смазочных материалов и антифрикционных покрытий, что необходимо учитывать при конструировании узлов с долговременным пребыванием в вакууме. В вакууме на трущихся поверхностях деталей отсутствуют окисные пленки и поэтому возрастает коэффициент трения. Возникает опасность схватывания трущихся поверхностей, что вызывает их повреждения — заедание и задиры у зубчатых колес и подшипников скольжения. В ряде элементов конструкций (баках, трубопроводах) может быть высокое давление, которое необходимо учитывать при проведении расчетов на прочность.

Влажность атмосферы вызывает коррозию металлов, разбухание и потерю прочности ряда неметаллов. Для устранения коррозии следует проводить специальные мероприятия. Существуют следующие способы повышения коррозионной стойкости металлов:

• • применение антикоррозионных материалов (например, нержавеющей стали 12X18H10Т);
• • применение антикоррозионных покрытий (хромирование, анодирование, оксидирование, грунтовка, окраска и др.);
• • использование специальной обработки для получения менее шероховатой поверхности (шлифование, полирование), не устраняющей коррозию, а лишь замедляющей ее развитие;
• • покрытие поверхностей защитными смазками, что используется для деталей, расположенных внутри корпуса, при работе механизмов, а также при консервации деталей и узлов;
• • заключение деталей в герметизированные объемы, исключающие попадание влаги внутрь, и др.

Загрязнение деталей передач пылью, песком и другими твердыми частицами приводит к существенному увеличению износа трущихся частей. Для устранения абразивного износа передачи помещаются внутри корпуса, что исключает попадание твердых частиц внутрь. Износостойкость существенно влияет на долговечность работы механизмов. Износ является главной причиной выхода из строя машин (до 90%). Ежегодные расходы на обслуживание и восстановительные ремонты некоторых действующих машин превышают стоимость годового выпуска новых машин. Износ передач обычно приводит к потере точности и увеличению динамических нагрузок, а иногда и к поломкам, особенно при длительной эксплуатации, если не производятся техническое обслуживание и ремонт.

Другие воздействия. Стойкостью к химическому воздействию должны иметь детали, работающие в агрессивных средах. Трубопроводы должны изготавливаться в этом случае из материалов, не взаимодействующих с наполняющими их жидкостями. Например, азотная кислота разъедает трубы из обычной стали и не разрушает нержавеющую сталь 12Х18Н10Т. Стойкость к биологическому воздействию определяется тем, что некоторые насекомые и грызуны поедают элементы изделий из органических и изоляционных материалов. Возможно также появление плесени, которая вызывает коррозию металлов и разложение неметаллов.

Основные требования. Одним из важнейших показателей, определяющих спрос на проектируемый объект, является его качество. Обеспечение необходимого качества возможно при удовлетворении эксплуатационных, производственно-технологических, экономических и эргономических требований, предъявляемых к деталям, узлам и механизмам.

Эксплуатационные требования. К ним относятся требования работоспособности, технического обслуживания и ремонта. Работоспособность — способность изделия выполнять заданные функции с параметрами, установленными в техническом задании (ТЗ). Техническое обслуживание — этап эксплуатации, направленный на поддержание надежности и готовности технических объектов и их элементов. В этот этап входят работы, но профилактике, контролю, регулированию, смазке и др. Ремонт — совокупность технических мероприятий, осуществляемых с целью восстановления работоспособности устройств.

Рассмотрим подробнее эксплуатационные требования, которые включают показатели назначения (функциональные показатели), надежность, массу, габаритные размеры, КПД, точность и др.

Показатели назначения. Эти показатели входят в ТЗ, в котором указываются назначение объекта, его состав, структура, особенности и ряд технико-экономических показателей:

• • технические характеристики — вид и скорость движения, производительность, надежность, масса, габаритные размеры, КПД, точность;
• • энергетические характеристики — источники питания, мощность, КПД;
• • устойчивость к внешним воздействиям, влияющим на работу объекта;
• • стоимость и другие показатели, зависящие от назначения объекта проектирования.

Отметим одно из противоречий, возникающих в группе эксплуатационных требований: для обеспечения требований технического обслуживания и ремонта необходимо предусмотреть в конструкции подходы к ряду агрегатов и узлов, что можно реализовать путем введения люков, откидных крышек и т. д. Это приводит к увеличению массы конструкции, что нежелательно для технических характеристик.

Надежность. Это важнейшая характеристика механизма (объекта). Надежность — свойство изделий выполнять в течение заданного времени или заданной наработки свои функции, сохраняя в заданных пределах эксплуатационные показатели. Надежность характеризуется безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью.

Безотказность — свойство изделия, позволяющее ему сохранять работоспособность в течение некоторой наработки без вынужденных перерывов. Свойство безотказности существенно для изделий, отказ которых вызывает катастрофические последствия; например, отказ устройств летательного аппарата может привести к его гибели. У объектов, эксплуатирующихся на земле, после отказа возможно восстановление работоспособности.

Долговечность — свойство изделия, позволяющее ему сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов.

Ремонтопригодность — приспособленность изделия к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Сохраняемость — свойство изделия, характеризующее его способность сохранять обусловленные эксплуатационные показатели в течение срока хранения, установленного в технической документации, и после срока хранения и транспортирования.

В наиболее ответственных системах для повышения надежности используется резервирование, под которым понимают метод повышения надежности путем введения резервных и дублирующих частей, являющихся избыточными по отношению к минимальной функциональной структуре изделия, необходимой и достаточной для выполнения заданных функций. Например, при низкой надежности электродвигателя для повышения надежности электропривода в конструкцию вводят второй (резервный) двигатель. Для повышения надежности возможно также использование предохранительных устройств, например предохранительных муфт, которые ограничивают вращающий момент, передающийся на последующие звенья передачи.

Массогабаритные показатели. Они важны при создании технических объектов. Конструктор должен обеспечить совершенство создаваемого объекта по массе. Обеспечению минимальных массы и габаритных размеров механизма способствуют правильный выбор материала, рациональной силовой схемы, формы и размеров деталей, применение композитов и т. д. При выборе материала целесообразно использовать металлы с высокой удельной прочностью, неметаллы и композиты. При выборе формы детали балочного типа следует выбирать рациональное сечение и обеспечивать равнопрочность. Вопрос материалоемкости актуален при разработке любой конструкции, так как стоимость материала изделия доходит до 80% в машиностроении, а в автомобильной промышленности до 70%.

Коэффициент полезного действия. Важным параметром любого механизма для снижения расхода энергии является КПД. Одной из важнейших задач конструктора является обеспечение максимального КПД передачи. Повысить КПД можно путем перехода к более совершенным типам передач, у которых меньше потери па трение, например заменой передачи винт-гайка скольжения на шариковинтовую передачу (ШВП) или роликовинтовую передачу (РВП). При использовании подшипников скольжения нужно применять такие материалы вала и подшипника, чтобы они образовывали антифрикционную пару, определяемую низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью и правильным выбором смазочного материала.

Точность. В механизмах, узлах и деталях должна быть обеспечена необходимая точность. Снижение точности ухудшает эксплуатационные характеристики приводов, а завышение увеличивает стоимость конструкции.

Производственно-технологические требования. Эти требования направлены на создание технологичной конструкции. Технологичной называют такую конструкцию, для создания которой требуются наименьшие затраты времени, труда и средств при заданном объеме выпуска в условиях данного производства. Например, в серийном и массовом производстве более технологична конструкция, процесс изготовления которой позволяет получить форму заготовки, максимально приближенную к конечной форме детали.

Рассмотрим примеры взаимодействия между эксплуатационными и производственно-технологическими требованиями. При повышении точности обработки и уменьшении шероховатости контактирующих поверхностей в подшипнике скольжения увеличивается его долговечность (улучшаются эксплуатационные показатели), но повышаются затраты труда и средств (ухудшаются производственно-технологические и экономические показатели). Из этого противоречия следует, что нельзя необоснованно завышать точность обработки поверхностей. Использование в конструкции стандартных деталей упрощает ее ремонт и позволяет автоматизировать изготовление деталей. Следовательно, улучшаются как эксплуатационные, так и производственно-технологические показатели и они не противоречат друг другу.

Экономические требования. Экономические требования связаны с достижением минимальной стоимости изготовления и эксплуатации детали, узла и др. Уменьшение себестоимости, как правило, связано со снижением затрат живого труда, материалов, энергии на изготовление и эксплуатацию, с совершенствованием технологии и т. д.

Эргономические требования. Они определяются необходимостью безопасности и комфорта для человека, эксплуатирующего объект, снижения или исключения вредных воздействий на человека и окружающую среду, повышения положительных эмоций.

Важно отметить, что в первую очередь должны быть обеспечены эксплуатационные требования в соответствии с ТЗ. Большое внимание проектировщик должен обращать на производство и принимать во внимание сбыт создаваемой продукции. Должны быть увязаны технические и экономические характеристики конструкции с учетом требований потребителя.

При проектировании привода или узла должны учитываться все перечисленные требования, а те из них, по которым осуществляется оценка объекта проектирования, становятся показателями качества (критериями). В большинстве случаев задачи проектирования являются многокритериальными. Полное удовлетворение всех требований часто нецелесообразно, и поэтому ищут компромиссное решение, используя, например, метод Парето.

Работоспособность и надежность детали (элемента). Она обеспечивается за счет выполнения следующих основных требований: прочности, жесткости и стойкости к различным воздействиям — износу, вибрации, температуре и др. Выполнение требований прочности при статическом, циклическом и ударном нагружениях должно исключить возможность разрушения, а также возникновения недопустимых остаточных деформаций. Требования жесткости к детали или контактной поверхности сводятся к ограничению возникающих под действием нагрузок деформаций, нарушающих работоспособность изделия, к недопустимости потери общей устойчивости для длинных деталей, подвергающихся сжатию, и местной — у тонких элементов. Должна быть обеспечена износостойкость детали, которая существенно влияет на долговечность работы механизма. Необходима стойкость к вибрации, определяемая вибропрочностью детали. Достаточно, чтобы для каждой детали выполнялись не все перечисленные требования, а лишь те, которые связаны с ее эксплуатацией. Например, пружина редуктора гидросистемы смазки машины должна удовлетворять требованиям прочности, жесткости, стойкости к изменению температуры и химическому воздействию среды, где она находится. Для другой детали — металлической гайки, нагруженной силой, требования сводятся лишь к обеспечению прочности в заданном интервале температур, а при контакте с влагой — защите от коррозии. При выполнении сформулированных требований деталь должна иметь низкую стоимость, минимальную массу и габаритные размеры, обладать необходимой точностью и технологичностью.