Прочность износостойкость машин

     Переменные  контактные напряжения вызывают усталость  поверхностных слоев деталей. На поверхности образуются микротрещины с последующим выкрашиванием  мелких частиц металла. Если детали работают в масле, оно проникает в микротрещины (рис.4, а). Попадая в зону в зону контакта (рис.4, б), трещина закрывается, находящаяся внутри трещины масло сжимается в замкнутом пространстве, и в нем создается высокое давление, распирающее стенки трещины. При повторных нагружениях трещина все более увеличивается, отделяемая ею частица металла откалывается от поверхности, образуя раковину (рис. 4, в).    Экспериментальные кривые, характеризующие стойкость материала в отношении усталостного выкрашивания, построенные в координатах контактное напряжение – число циклов нагружений (см. рис.3), подобны обычным кривым выносливости Вёлера. 

 

     Базовому  числу циклов соответствует предел выносливости , величина которого в основном зависит от твердости материала. По пределу выносливости определяют допускаемое напряжение, исключающее усталостное выкрашивание рабочих поверхностей.

     При отсутствии смазки характер разрушения поверхностных слоев изменяется: трещины не успевают развиться в  раковину, поскольку поверхностный  слой, в котором возникают первичные  трещины, истирается раньше.

     Всегда, везде, при любых обстоятельствах  конструктор обязан учитывать и обеспечивать такие условия работы, чтобы напряжения в материале деталей не превышали допускаемых.

     В качестве допускаемых нельзя назначать  предельные напряжения, при которых  наступает разрушение материала.

     Разница между допускаемыми и предельными напряжениями похожа на разницу между  краем   платформы метро и «белой линией», проведённой примерно в полуметре перед краем. Переход через «белую линию» грозит замечанием от дежурного, а стояние на краю – гибелью.

     Допускаемые напряжения следует принимать меньше предельных, "с запасом":

где  и - предельные напряжения; -   коэффициент запаса прочности (обычно  1,2 <   < 2,5) .

     В качестве предельного напряжения принимают  одну из следующих механических характеристик  материала:

- предел  текучести (физический или условный) — при статическом нагружении детали из пластичного или хрупкопластичного материала;

- временное  сопротивление — при статическом  нагружении детали из хрупкого  материала;

- предел  выносливости — при возникновении  в детали напряжений, переменных во времени.

     Для деталей машин широко распространены расчеты не по допускаемым напряжениям, а по коэффициентам запаса прочности. Взамен условия прочности используют тождественные ему условия:

 

где n —  действительный (расчетный) коэффициент запаса прочности; , — расчетные нормальное и касательное напряжения.

     В разных обстоятельствах коэффициент  запаса может быть либо задан заказчиком, либо выбран из справочных нормативов, либо вычислен с учётом точности определения  нагрузок, однородности материала и специфических требований к надёжности машин.

     Для выбора допускаемых напряжений и  коэффициентов запаса прочности  в машиностроении принимают следующие  два метода:

- табличный  - допускаемые напряжения и коэффициенты  запаса прочности выбирают по специальным таблицам (см., например, табл. 1). Этот метод менее точен, так как не учитывается ответственность детали, точность определения нагрузок и другие важные факторы, но он удобен для практического пользования;

- дифференциальный - допускаемое напряжение или допускаемый коэффициент запаса прочности определяют по соответствующей формуле, которая учитывает различные факторы, влияющие на прочность рассчитываемой детали.

     Таблица 1. Ориентировочные значения допускаемых  коэффициентов запаса прочности

 

     Примечание. Меньшие значения  [n]относят к расчетам с весьма точными параметрами нагружения. Для ответственных деталей, выход из строя которых связан с серьезными авариями, табличные значения следует увеличить на 30-50 %.

     Так, например, допускаемый коэффициент  запаса прочности определяют по формуле

где  [n]₁ — коэффициент, отражающий влияние точности определения действующих на деталь нагрузок, достоверность найденных расчетом внутренних сил и моментов и т. д. (при применении достаточно точных методов расчета [n]₁ = 1 ÷ 1,5; при менее точных расчетах  [n]₁ = 2 ÷ 3 и более);

[n]₂— коэффициент, отражающий однородность материала, чувствительность его к недостаткам механической обработки, отклонения механических свойств материала от нормативных в результате нарушения технологии изготовления детали (для пластичного материала  [n]₂= 1,2 ÷ 2,2; для хрупкопластичного [n]₂= 1,6 ÷ 2,5; для хрупкого   [n]₂= 2 ÷ 6);

[n]₃ — коэффициент, обеспечивающий повышенную надежность особо ответственных и дорогостоящих деталей ([n]₃ = 1 ÷ 1,5).

     На  практике применяют как дифференциальный, так и табличный методы.

     Выполнение  всех видов прочностных расчётов для каждой детали займёт очень много  времени. Поэтому инженер должен сначала изучить опыт эксплуатации подобных изделий. Это особенно удобно для типовых деталей и машин. Следует обратить внимание на то, какой вид поломок встречается чаще всего. Именно по этому виду поломок, точнее по вызывающим их напряжениям, следует выполнять предварительно проектировочный расчёт. По его результатам строится форма детали, а проверочный расчёт выполняется по напряжениям, вызывающим менее опасные дефекты.

     В расчётах не следует гнаться за "абсолютной" точностью и  использовать сложные "многоэтажные" формулы. Обширный опыт инженеров-расчётчиков показывает, что усложнение методик расчёта не даёт новых результатов.

     Крупнейший  советский специалист по прочностным  расчётам деталей машин И.А. Биргер заметил, что в технических расчётах "всё нужное является простым, а всё сложное – ненужным". Впрочем, похожая мысль высказывалась уже в библейских текстах, хотя и не по поводу машин.

     В расчётах необходимо стремиться к корректным упрощениям.

     Прочность деталей машин зависит от ряда конструктивно-технологических факторов. К числу важнейших относится  конфигурация детали.

     Сформулируем основные принципы образования конструктивных форм деталей машин.

1.    При конструировании деталей  не следует допускать резких  переходов, т. е. резких изменений  формы соседних поверхностей. Соблюдение  этого положения очень важно,  так как при резких переходах в зоне сопряжения сечений наблюдается значительная концентрация напряжений, снижающая прочность детали при действии в ее сечениях, как статических так и переменных напряжений.

2.    Конструктивные формы детали  должны обеспечить по возможности  равнопрочность всех ее сечений.

3.    Конструктивные формы детали  должны обеспечивать близкое  к равномерному распределение  напряжений по сечению детали. С этой целью применяют тонкостенные  прокатные и прессованные профили,  трубы и т. д. Большинство  деталей машин подвержено изгибу и кручению, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях деталей. На поверхности расположены основные источники концентрации напряжений, поэтому разрушение деталей, как правило, начинается с поверхности. Для повышения конструкционной прочности деталей машин широко применяют различные способы поверхностного упрочнения. 

3. Износостойкость деталей машин

 

     Износостойкость – это свойство материала, оказывать сопротивление изнашиванию. Под изнашиванием понимают процесс разрушения поверхностных слоев при трении, приводящий к постепенному изменению размеров, формы и состояния поверхности детали. Износостойкость оценивают  величиной,  обратной скорости или интенсивности изнашивания.

     Износостойкость является  важнейшим   критерием  работоспособности подвижно сопряженных деталей, поскольку до 90% таких деталей выходят из строя из-за износа. В результате износа снижается КПД, точность сопряжения, надежность и экономичность машин. Износ деталей значительно повышает стоимость эксплуатации машин в связи с необходимостью периодического их ремонта. Так стоимость ТО и ремонта превышает стоимость изготовления автомобиля за весь период его эксплуатации до 6 раз.

     Изнашивание — процесс разрушения поверхностных  слоев при трении, приводящий к  постепенному изменению размеров, формы, массы и состояния поверхности деталей (износу).

     Износ — результат процесса изнашивания.

     В машинах наблюдаются следующие  виды изнашивания: абразивный износ, износ  при заедании и износ при коррозии. Абразивный износ происходит вследствие истирающего действия неровностей поверхностей или твердых посторонних частиц (песка, пыли). Заедание преимущественно наблюдается при высоких скоростях и давлениях с выдавливанием разъедающей трущиеся поверхности масляной пленки. В результате тепло не успевает отводиться, и происходит схватывание (сварка) частиц металла контактирующих поверхностей с дальнейшим отрывом их от более мягкой поверхности и прочным соединением с более твердой. Образовавшиеся неровности царапают рабочие поверхности деталей с более мягкой поверхностью, что приводит к выходу их из строя. Коррозийный износ заключается в том, что продукты коррозии срываются механическим путем.

     Для повышения износостойкости деталей  применяют смазку трущихся поверхностей; выполняют закрытые конструкции с более совершенными уплотнениями для защиты деталей от попадания абразивных частиц; используют антифрикционные материалы, применяют специальные виды химико-термической обработки поверхности и масла антизадирными присадками.

     Большое число факторов, влияющих на изнашивание, затрудняет создание обоснованных методов расчета износостойкости деталей машин. Приближенно сопротивление изнашиванию оценивают, в частности, сопоставлением расчетных давлений с допускаемыми значениями, установленными на основе опыта эксплуатации конструкции. Более точные расчеты производятся по формулам, предложенным Ю.Н. Дроздовым.

     Износостойкость зависит от свойств выбранного материала, термообработки и чистоты поверхностей, от величины давлений или контактных напряжений, от скорости скольжения и условий смазки, от режима работы и т. д. Износ уменьшает прочность деталей, изменяет характер соединения (при работе шум). Расчеты деталей на износ заключается либо в определении условий, обеспечивающих их жидкостное трение, либо в определении достаточной долговечности их путем назначения для трущихся поверхностей давлений p не более допускаемых [p] .

 

     Применение  в конструкциях уплотняющих устройств  защищает детали от попадания пыли, увеличивая их износостойкость.

     При расчетах деталей на износ либо определяют условия, обеспечивающие для них трение со смазочным материалом, либо назначают для трущихся поверхностей соответствующие допускаемые давления.