Контрольные вопросы

1. Назовите качества, которыми должны обладать детали и сборочные единицы?

2. Какие документы необходимы для проектирования машины?

3. Какие этапы включает процесс проектирования?

4. В чем отличие проектирования от конструирования?

5. Для чего проводится оптимизация конструкции машины?

6. Преимущества САПР перед «ручным» проектированием?

2.3. Виды нагрузок, действующих на детали машин

Детали машин должны удовлетворять условию надежности, т.е. способности, сохраняя свои эксплуатационные показатели, выполнять заданные функции в течение заданного срока службы и условию экономичности, т.е. иметь минимально необходимую стоимость проектирования, изготовления и эксплуатации.

Работоспособность и надежность деталей машин характеризуется определенными условиями или критериями, которые, прежде всего, связаны с нагрузками, действующими на детали.

Рабочей называется нагрузка (сила, момент), воспринимаемая деталью или узлом в процессе эксплуатации машины. Нагрузки могут быть постоянными и переменными по времени, К первым относятся, например, нагрузки от собственного веса деталей. Чаще действуют переменные нагрузки – сопротивление при движении, технологические, инерционность и пр.

В зависимости от характера действия различают нагрузки статические и динамические. К статическим относятся нагрузки, которые прикладываются спокойно с постепенным изменением их значений, так, чтобы нагружение не вызывало колебаний системы. К динамическим относятся нагрузки, приложение которых вызывает колебания системы, а при внезапном их приложении и удары.

В связи с переменным характером рабочих нагрузок часто в расчеты вводят номинальные нагрузки, Q_ном. Под номинальной понимается нагрузка, выбираемая из числа действующих в установившемся режиме рабочих нагрузок. Предпочтителен выбор в качестве номинальной максимальной или наиболее длительно действующей нагрузки. Под расчетной нагрузкой Q_р понимается условная постоянная нагрузка, исчисленная по номинальной нагрузке с учетом характера ее переменности и взаимодействия сопрягаемых деталей, определяющая размеры и формы деталей соответственно рассматриваемому критерию работоспособности.

Q_p = Q_ном K_долг K_к K_д K_у , (2.1)

где K_долг – коэффициент, характеризующий долговечность детали;

K_К – коэффициент, учитывающий неравномерность нагрузки по контактирующим поверхностям;

К_д – коэффициент динамичности;

К_у – коэффициент, зависимый от условий работы и передачи нагрузки.

Детали машин достаточно редко работают в таких условиях, когда возникающие в них напряжения остаются практически неизменными. В большинстве случаев эти напряжения меняются во времени. При этом изменение напряжений может быть вызвано как переменной нагрузкой на деталь, так и сменой зоны приложения нагрузки, а иногда изменением обоих факторов.

Переменные во времени напряжения вызывают усталость материала или процесс постепенного накопления повреждений под действием переменных напряжений. Это приводит к изменению свойств материала, образованию и развитию трещин и в результате – к разрушению. При этом напряжения, при которых происходит усталостное разрушение, существенно меньшие, чем предел прочности материала σ_в.

Переменная напряженность детали характеризуется циклом напряжений – совокупностью последовательных значений напряжений за один период. Разумеется, невозможно в точности воспроизвести зависимость от времени реальных нагружений детали и реальных напряжений в ней, но ниже приводится общепринятый метод приближенного описания циклов нагружения деталей машин. Нормальные напряжения σ обычно изменяются более интенсивно, чем касательные τ, что чаще всего связано с вращением валов и осей при действии изгибающего момента. Поэтому и описывается, прежде всего, поведе­ние нормальных напряжений σ, хотя все приведен­ное ниже справедливо и для τ.

Нагружение детали с одним максимумом и одним минимумом в течение одного периода Т_p (продолжительности одного цикла нагружения) называется регулярным нагружением (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Циклы напряжений:

а) – отнулевой; б) – симметричный; в) – асимметричный

Цикл переменных напряжений характеризуют следующими параметрами:

– максимальным напряжением – σ_max;

– минимальным напряжением – σ_min;

– средним напряжением – σ_m = 0,5(σ_max + σ_min);

• амплитудным напряжением – σ_a = 0,5;

• (σ_max – σ_min);коэффициентом асимметрии цикла – .

При R_а = 0 (σ_min = 0; σ_m = σ_a = 0,5 σ_max) цикл называется отнулевым (см. рис. 2.1, а).

При R_а = – 1 (σ_m = 0; σ_a = σ_max) цикл называется симметричным (см. рис. 2.1, б). Этот цикл наиболее неблагоприятен для работы дета­ли, так как меняется не только величина напряжений, но и их знак.

При R_а = 1 (σ_a = 0; σ_max = σ_min = σ_m = σ) действуют наиболее благоприятные статические напряжения.

Во всех остальных случаях циклы напряжений считаются асимметричными с различной степенью асимметрии (см. рис. 2.1, в).

Общее число циклов нагружения N_ц нормальными напряжениями σ детали, например вращающейся оси, за промежуток времени L_h, измеряемый в часах, равно

. (2.2)

Здесь T_р – период, с.

, (2.3)

где n – частота вращения оси, мин ^-1;

ω – угловая скорость оси, рад/с.