Детали Машин и

Детали Машин и Основы Конструирования Лектор: Поляков Роман Николаевич канд. техн. наук, старший преподаватель каф. «Динамика и прочность машин» ПНИЛ «Моделирование гидромеханических систем» /ауд. 110/ Лекции: 40 часов. Практические занятия: 20 часов. Лабораторные работы: 40 часов. I семестр: Зачет. II семестр: защита курсового проекта, экзамен.

ДМи. ОК Введение. Цели и задачи дисциплины Предметом изучения дисциплины «ДМ и ОК» являются: –процессы и явления, происходящие в технических устройствах; –оценка напряженного состояния элементов; –критерии работоспособности деталей машин; –методы расчета и конструирования элементов машин с целью определения размеров и рациональных форм, обеспечивающих заданную надежность, ресурс, массогабариты и высокие технико экономические показатели машин. Целью преподавания дисциплины «ДМ и ОК» является обучение студентов современным методам конструирования и выполнения инженерных расчетов элементов машины. В результате изучения курса студенты должны ЗНАТЬ: 1) основы классификации и типовые конструкции деталей и узлов машин; 2) методы проектирования, обеспечивающие разработку рациональных конструкций, исходя из заданных технических требований, условий работы технической системы и производственно экономических возможностей; 3) критерии работоспособности деталей машин; 4) основы инженерного расчета деталей машин.

ДМи. ОК Введение. Цели и задачи дисциплины УМЕТЬ: 1) на основании технических заданий выполнять синтез кинематических и конструктивных схем механизмов; 2) выполнять кинематический расчет механических приводов и рациональный выбор двигателей; 3) выявлять главные критерии работоспособности для конкретной детали; 4) выполнять проектировочные и проверочные расчеты деталей на статическую прочность, выносливость, жесткость и износостойкость; 5) проводить тепловые и динамические расчеты; 6) рационально выбирать конструктивные материалы и термообработку деталей для выполнения заданных функций; 7) формулировать техническое задание на проектирование исходя из конкретных условий работы механизмов; 8) выполнять проектные, проверочные и оптимизационные расчеты деталей машин с использованием ЭВМ; 9) выполнять (разрабатывать) и читать чертежи и схемы; 10) разрабатывать конструкцию простых типовых деталей машин и механизмов. Изучение дисциплины «ДМ и ОК» базируется на знании следующих учебных курсов: высшая и прикладная математика; физика; теоретическая механика; теория упругости; сопротивление материалов; теория машин и механизмов, гидромеханика и газовая динамика; теория колебаний; триботехника; материаловедение и технология металлов; основы метрологии и взаимозаменяемости; программирование; электротехника; инженерная графика и машиностроительное черчение; теория надежности; теплопередача.

ДМи. ОК Введение. Цели и задачи дисциплины Полученные при изучении курса «Деталей машины» знания и практические навыки могут быть использованы для выполнения курсовых и дипломных проектов, при изучении специальных курсов учебной программы, а также в производственно-технической деятельности. Основные понятия (ключевые слова) дисциплины «ДМ и ОК» : – машины и механизмы, структурный, кинематический, динамический и силовой анализ; синтез механизмов; – особенности проектирования изделий: виды изделий, требования к ним, стадии разработки; принципы инженерных расчетов; – расчетные модели типовых деталей машин, допущения и схематизация, материала и предельного состояния, типовые элементы изделий; напряженное состояние детали и элементарного объема материала; механические свойства конструкционных материалов; расчет несущей способности типовых элементов; сопряжения деталей; – допуски и посадки, размерные цепи; – механические передачи трением и зацеплением; валы и оси, соединения вал втулка; опоры скольжения и качения; уплотнительные устройства; упругие элементы; муфты; соединения деталей: резьбовые, заклепочные, сварные, паяные, клеевые; корпусные детали.

ДМи. ОК Рекомендуемая литература и учебно-методическое обеспечение Теоретические основы дисциплины 1. Иванов М. Н. Детали машин. Учебник для вузов. Изд. 6 е. М. : Высшая школа, 1998. 2. Решетов Д. Н. Детали машин. Учебник для вузов. Изд. 4 е. М. : Машиностроение, 1989. 3. Иосилевич Г. Б. Детали машин. М. : Машиностроение, 1988. 4. Орлов П. И. Основы конструирования. М. : Машиностроение, т. 1, т. 2, 1988. 5. Дунаев П. Ф. , Леликов О. П. Конструирование узлов и деталей машин: Учеб. пособие для техн. спец. вузов. 7 е изд. , испр. М. : Высш. шк. , 2001. 447 с. : ил. 6. Шелофаст В. В. Основы проектирования машин. М. : Изд во АПМ, 2000– 472 с. 7. Дунаев П. Ф. , Леликов О. П. Расчет допусков размеров. – М. : Машиностроение, 2001. 8. Джонс Д. К. Методы проектирования. –М; Мир, 1986 326 с. 9. Гузенков П. Г. Детали машин. М. : Высшая школа, 1982. 10. Заблонский К. И. Детали машин: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов. Киев. : Вища. школа, 1985. 518 с. 11. Иосилевич Г. Б. Строганов Г. Б. , Маслов Г. С. Прикладная механика 12. Дополнительно 12. Кудрявцев В. Н. Детали машин. М. : Машиностроение, 1980. 13. Кузьмин К. Н. Расчеты деталей машин. М. : ВШ, 1988. 14. Проников А. С. Надежность машин М: Машиностроение. , 1998 – 592 с. 15. Решетов Д. Н. Расчет деталей машин на ЭВМ. Учебное пособие для вузов. Высшая школа, 1985. 16. Ряховский О. А. , Иванов С. С. Справ. по муфтам. Л. : Политехника, 1991. 17. Снесарев Г. А. Конструирование редукторов. Методические рекомендации по технической механике. Выпуск 6. М. : Высшая школа, 1982. 18. Чернавский С. А, Снесарев Г. А. и др. Проектирование механических передач: Учебно справочное пособие. М. : Машиностроение, 1984.

ДМи. ОК Рекомендуемая литература и учебно-методическое обеспечение Литература по выполнению курсового проекта и расчетно-графических работ 1. Иванов М. Н. , Иванов В. Н. Детали машин. Курсовое проектирование. Учеб. пособие для машиностроит. Вузов. М. , «Высшая школа» , 1975. [и более поздние издания] 2. Шейнблит А. Е. Курсовое проектирование деталей машин: Учеб. пособие для техникумов. – М. : Высш. шк. , 1991. – 432. : ил. 3. Дунаев П. Ф. . Леликов. О. П. Детали машин. Курсовое проектирование. Учеб. пособие для вузов. – М. : Машиностроение, 2004 г. – 560 с. 4. Чернавский С. А. Курсовое проектирование деталей машин. – М. : Машиностроение. Справочная литература 1. Анурьев В. И. Справочник конструктора машиностроителя. Изд. 8 е в 3 х тт. М. : Машиностроение, 1999. 2. Детали машин. Атлас конструкций. Под ред. Решетова Д. Н. Изд. 5 е в двух частях. М. : Машиностроение, 1992. 3. Конструкционные материалы: Справочник. Под общ. Редак. Б. Н. Арзамасова. М: Машиностроение, 1990. – 688 с. 4. Машиностроение. Энциклопедия. М. : Машиностроение, 1995. Детали машин. Конструкционная прочность. Трение, износ, смазка. Т. IV 1/Под общ. ред. Д. Н. Решетова. 5. Электротехнический справочник. Под. Ред. Орлова И. Н. Т 2 М: Энергоатомиздат, 1985, 711 с. 6. Артоболевский И. И. Механизмы в современной технике: Справочное пособие для инженеров и конструкторов в 5 томах. –М; Наука, 1979 г. Методические указания 1. Савин Л. А. , Соломин О. В. Автоматизированный расчет механических передач. Учебное пособие. – Орел: Орел. ГТУ, 2001. – 212 с. 2. Савин Л. А. Компьютерный практикум по инженерным расчетам. Учебное пособие. – Орел: Орел. ГТУ, 2001. – 61 с. 3. Савин Л. А. , Борисенков В. А. , Куликов Р. Н. Кинематический расчет механических приводов. Метод. указания. – Орел: Орел. ГТУ, 1997. 16 с. 4. Долотов А. М. Расчет элементов редуктора. Учебное пособие по курсовому проектированию по дисциплине "Детали машин". В 2 х т. – Орел: Орел. ГТУ, 1996.

ДМи. ОК Исторический обзор Эра homo sapiens (40 тыс. лет назад). Прообразы отдельных деталей машин в применении к ручному инструменту, оружию и другим приспособлениям древних людей (рычаг, клин, передача гибкой связью, пружина). В начале 3 тысячелетия до н. э. в Древнем Египте появляются первые простые механизмы (клин, рычаг, блок, ворот, катки), которые применяли при строительстве пирамид. Чуть позже, в Индии, создаются первые повозки – появляются первые детали, работающие в условиях, близким к условиям работы в машинах (колесо, ось и подшипник). Длительное время источником энергии служили человек и домашние животные. В 3 веке до н. э. начинают использовать энергию падающей воды, построили водяное колесо для мукомольных машин и первые передачи механического движения. 3. 5 в. до н. э. Платон «Государство» , Аристотель «Механические проблемы» : зубчатые колеса, кривошипы, катки, полиспасты, металлические цапфы. 287 г. до н. э. Архимед применил для водоподъемной машины винт. 16… 13 л. до н. э. Поллион Витрувий «Арихтектура» : описание водоподъемной машины с ковшами, укрепленными на цепи. 284– 305 г. Папп Александрийский: описание редуктора из зубчатых (в виде цевочных) и червячных передач. В 10. . . 11 веках во Фландрии и Англии были построены первые ветровые мельницы, в состав которых уже входили сложные передачи и тормозные устройства. Эпоха Возрождения. Леонардо да Винчи (1452– 1519 г. ): винтовые зубчатые колеса с перекрещивающимися осями, зубчатые колеса с вращающимися цевками, подшипники качения, шарнирные цепи, а также многочисленные механизмы и машины. Создание в 1774 г. Дж. Уаттом универсальной паровой машины положило начало технической революции и все более ускоряющемуся техническому прогрессу. Появляются сложное оборудование и двигательные установки, такие как изобретенные в 1889 г. К. Лавалем паровая турбина, в 1870. . . 1890 гг. двигатель внутреннего сгорания (газовый – Н. Отто, бензиновый – Г. Даймлера и К. Бенца, дизельный – Р. Дизеля), в 1889 г. М. О. Доливо Добровольским – электродвигатель переменного тока. Функционирование новых машин начинает широко использовать явления механики, термодинамики, электромагнетизма.

ДМи. ОК Исторический обзор Теория и расчет деталей машин разрабатывались по мере появления и совершенствования конструкций. Леонардо да Винчи рассматривал вопросы о сопротивлении вращению колес, шкивов и блоков, о зоне износа подшипников и др. Леупольд «Театр машинный» – первая попытка систематического описания частей машины. 1840 г. Витворт (Англия) разрабатывает систему крепежных резьб (первая работа по стандартизации в машиностроении). Когда машин было мало, а их расчеты носили элементарный характер, студенты механики изучали все вопросы изучали все вопросы в общем курсе построения машин. Технические объекты становятся сложными физически. Сложность разрабатываемых объектов уже не позволяла одному человеку целиком решать всю техническую задачу. С 19 века наступает дифференциация наук и специализация в области исследований, разработки и производства. Р. Виллис, Х. И. Гохман – общая теория зубчатых зацеплений. Л. Эйлер разработал теорию эвольвентного зацепления. В. Льюис, Е. Бакингем, Х. Мерит – прочность зубчатых передач. М. Л. Новиков – круговинтовое зацепление высокой несущей способности. Н. П. Петров, О. Рейнольдс, А. Зоммерфельд – гидродинамическая теория смазки (подшипники скольжения и др. ). Р. Штрибек, А. Пальмгрен – подшипники качения. Н. Е. Жуковский – резьбовое соединение, ременная передача. Д. Н. Гаркунов, И. В. Крагельский – триботехника (разработана теория избирательного переноса в парах трения, обеспечивающий в определенных условиях почти безизносную работу). А. И. Петрусевич – контактно гидродинамическая теория смазки.

ДМи. ОК Классификация машин. Механизмы и их назначение Машина – устройство для преобразования энергии и (или) движения, накопления и переработки информации. Машины существенно облегчают физический и умственный труд человека. Машины условно подразделяют на три группы: • Энергетические машины преобразуют какой либо вид энергии в механическую работу и наоборот; • Транспортные (энергия преобразуется в двигательную силу); • Технологические машины предназначены для выполнения производственных процессов по изменению формы, свойств и положения объектов труда; • Информационные машины, преобразующие и обрабатывающие информацию для контроля, регулирования и управления процессами и объектами; • Специальные (вспомогательные, бытовые и пр. ) Механизм – часть машины, в которой рабочий процесс реализуется путем выполнения определенных механических движений. Механизм осуществляет: 1. Передачу энергии (движения), как правило, с преобразованием сил и характеристик закона движения от источника к одному или нескольким рабочим органам; 2. Преобразование и регулирование механического движения; 3. Заданную компоновку машины.

Основные характеристики и требования, ДМи. ОК предъявляемые к машинам и механизмам Основные характеристики : назначение и область применения, способ управления, мощность и производительность, коэффициент полезного действия, масса, габаритные размеры, стоимость. Основные требования: Ø Работоспособность – способность технической системы нормально выполнять заданные функции с параметрами, установленными нормативно технической документацией; Ø Надежность – свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам в условиях использования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования. Ø Технологичность – свойство конструкции, обусловливающее минимальные затраты средств, времени и труда в производстве, эксплуатации и ремонте. Ø Экономичность – свойство конструкции, обусловленное снижением затрат на проектирование, изготовление, эксплуатацию и ремонт. Ø Эргономичность – свойство конструкции, связанное с совершенством и красотой внешних форм и удобством обслуживания и эксплуатации.

ДМи. ОК Основные этапы проектирования машин Выполнение указанных требований обеспечивается в ходе проектирования, изготовления и эксплуатации машин и механизмов. Проектирование является одним из ключевых этапов разработки машин, в ходе которой закладываются их будущие параметры качества. Чаще всего под словом “проектирование” подразумевают практическую деятельность, направленную на удовлетворение потребностей людей. Конечным итогом проектной деятельности является проект, т. е. комплект документации, предназначенной для создания, эксплуатации, ремонта и ликвидации (технического) объекта, а также для проверки или воспроизведения промежуточных и конечных технических решений, на основе которых был разработан данный объект. Проектирование включает в себя выполнение расчётов, подтверждающих эффективность предлагаемых конструктивных решений; экспериментальные исследования; конструирование (определение пространственных структур). Конструирование – деятельность по созданию материального образа разрабатываемого объекта, при котором инженер работает с физическими моделями и их графическими изображениями. Эти модели и изображения, а также и реальные механические объекты называют конструкциями.

ДМи. ОК Классификация деталей машин Любая машина (механизм) состоит из деталей. Деталь – такая часть машины, которую изготовляют без сборочных операций. Детали могут быть простыми: гайка, шпонка и др. Детали могут быть сложными: коленчатый вал, корпус редуктора, станина станка. Детали объединяют в узлы. Узел представляет собой законченную сборочную единицу, состоящую из ряда деталей, имеющих общее функциональное назначение: Роторный узел: вал+подшипники+зубчатые колеса Подшипниковый узел: подшипник + крышка + уплотнение Детали общего назначения: болты, валы, подшипники, муфты, шпонки и др. Все другие детали (поршни, лопатки турбин, гребные винты, камеры сгорания и пр. ) изучают в специальных курсах: Теория и расчет газотурбинных двигателей, Проектирование летательных аппаратов и др. Курс «ДМ и ОК» посвящен теории, расчету и конструированию деталей общего назначения.

ДМи. ОК Классификация деталей машин Раздел «Критерии работоспособности ДМ» Раздел «Машиностроительные материалы» Раздел «Передачи» Раздел «Валы и оси» Раздел «Подшипники» Раздел «Соединения» Раздел «Муфты» Раздел «Пружины и Рессоры» Раздел «Корпусные детали»

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин Работоспособность и надежность деталей машин характеризуется определенными критериями. Важнейшие критерии: Прочность Жесткость Износостойкость Теплостойкость Виброустойчивость Надежность Расчет по данным критериям должен обеспечивать такие параметры деталей машин (размеры и материалы) чтобы они могли сохранять свои эксплуатационные показатели, выполнять заданные функции в течении заданного срока службы и при это иметь минимальную стоимость изготовления и эксплуатации. ВАЖНО: Не все критерии равнозначны для различных деталей. При расчетах выделяют 1 2 наиболее важных критерия, а остальные являются второстепенными. Для практического выполнения указанных требований необходимо перейти от конкретной детали к ее модели. При этом точность определения характеристик детали существенно зависит от того, насколько адекватно построенная модель описывает реальную деталь.

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин ИНЖЕНЕРНЫЙ РАСЧЕТ – ПРИБЛИЖЕННЫЙ РАСЧЕТ Проектировочный расчет – предварительный, упрощенный расчет, выполняемый в процессе разработки конструкции детали (машины) в целях определения ее размеров и материала при заданных условиях нагружения, кинематических и динамических параметрах всей системы (зачастую проводится по какому-либо одному критерию). Проверочный расчет – уточненный расчет известной конструкции, выполняемый в целях проверки удовлетворения ее заданным нормам критериев работоспособности (прочность, жесткость, виброустойчивость и др. ). Модель – совокупность представлений, условий и зависимостей, описывающих объект (явление). При построении модели учитывают только наиболее значимые факторы с точки зрения изучения той или иной характеристики объекта. Учет всех факторов принципиально невозможен. Для одного и того же объекта может быть предложено несколько расчетных схем. С другой стороны, одной расчетной схеме может соответствовать несколько реальных объектов.

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин МОДЕЛЬ МАТЕРИАЛА В расчетах на прочность материал детали представляют однородной сплошной средой, что позволяет рассматривать тело как непрерывную среду и применять методы математического анализа. Однородность – независимость свойств материала от размеров выделенного объема. Изотропность – независимость свойств материала от выбранного направления в материале. Сталь – однородный изотропный материал. Дерево – однородный неизотропный материал. Композиционные материалы (железобетон) – неоднородный неизотропный материал. Расчетная модель материала наделяется определенными физическими св вами: • Упругость – свойство тела восстанавливать свою форму после снятия внешней нагрузки. • Пластичность – свойство тела сохранять после разгрузки полностью или частично деформацию, полученную при нагружении. • Ползучесть – свойство тела увеличивать со временем деформацию при действии внешних сил.

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин МОДЕЛЬ ФОРМЫ Реальные конструкции имеют очень сложную геометрическую форму и учет всех особенностей геометрии бывает затруднен, а часто и нецелесообразен, хотя и возможен (например, по Методу Конечных Элементов). а) вал б) храповое колесо в) тройник

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин Для оценки прочностной надежности часто вводят упрощения геометрии детали, приводя ее к одной из следующих схем: • Стержень (брус) – тело, поперечные размеры которого малы в сравнении с его длиной. Стержень может иметь переменное поперечное сечение и криволинейную ось (например, кольцо или пружина). • Пластина – тело, ограниченное двумя плоскими или слабоизогнутыми поверхностями и имеющее малую толщину. • Оболочка – тело, ограниченное двумя поверхностями и имеющее малую толщину по сравнению с радиусом кривизны и длиной. • Массивное тело (массив) – тело большого размера. в) пластина а) брус б) кольцо г) оболочка д) массив

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин МОДЕЛИ НАГРУЖЕНИЯ Силы являются мерой механического взаимодействия элементов конструкций. Если элемент конструкции (деталь) рассматривается изолированно от сопряженных деталей, то действие последних заменяется силами, которые называются внешними. Силы взаимодействия между частями отдельной детали или между деталями в сопряжении называют внутренними. При схематизации условий работы силы вводят упрощение, подразделяя силы на: Сосредоточенные – действующие на небольшую часть поверхности детали. Распределенные – действующие на участках поверхности, соизмеримых с полной поверхностью детали. Объемные (массовые) – действующие на каждую точку тела.

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин МОДЕЛИ НАГРУЖЕНИЯ По характеру изменения во времени нагрузки подразделяют на: • Статические – возрастающие медленно от нуля до номинального значения и остающиеся постоянными в процессе работы детали. • Переменные – периодически меняющиеся во времени. Характеризуются амплитудой силы Fa, средней силой Fm, частотой нагружения f и формой цикла. Различают нагружения: • Малоцикловое – число циклов 104… 105. Характерно для деталей, циклы работы которых набираются за счет запуска и остановки машины. • Многоцикловое – число циклов 105… 106. Характерно для длительно работающих машин. а) постоянная нагрузка б) циклическая нагрузка

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин Детали, подверженные постоянным напряжениям в чистом виде, в машинах почти не встречаются. Некоторые детали в процессе работы испытывают мало изменяющиеся напряжения, которые при расчете можно принимать за постоянные: детали с большими нагрузками от силы тяжести (детали транспортных и подъемно транспортных машин); детали с большой начальной затяжкой (заклепки, некоторые крепежные винты и пружины); детали с малым числом плавных нагружений. Большинство деталей испытывают переменные нагрузки (вращающиеся детали: валы, оси, зубчатые колеса, подшипники и пр. ). В деталях машин возникают следующие циклы изменения напряжений: а) отнулевой цикл, в котором напряжения меняются от нуля до максимума (зубья зубчатых колес, работающих в одну сторону; штоки; толкатели; шатуны тихоходных механизмов и др. ); б) знакопеременный симметричный цикл, в котором напряжения менияются от отрицательного до такого же положительного значения (напряжения изгиба во вращающихся валах и осях); в) ассиметричный знакопостоянный (винты, пружины), или знакопеременный цикл. R – коэффициент ассиметрии цикла R= σmin/ σmax • постоянная нагрузка R=1; • отнулевой цикл R=0; • знакопеременный симметричный цикл R= 1. а) отнулевой цикл б) симметричный цикл

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин ПРОЧНОСТЬ– способность тела сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок. Разрушение деталей происходит вследствие потери • статической прочности или • усталостная прочность (сопротивления усталости). Усталость – процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений, приводящий к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению. Потеря статической прочности происходит тогда, когда значение максимальных рабочих напряжений превышает предел статической прочности материала (случайные перегрузки, срытые дефекты материала). Потеря сопротивления усталости происходит в результате длительного действия переменных напряжений, превышающих предел выносливости материала. Расчеты на ПРОЧНОСТЬ ведут по номинальным допускаемым напряжения, коэффициентам запаса прочности (КЗП) или по вероятности безотказной работы.

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин Обозначения напряжений при расчете на прочность: [σ], [τ] – допускаемые контактные, касательные напряжения (т. е. те, которые может выдержать данный материал при каком либо виде нагружения); σ, τ или σmax , τmax – максимальные рабочие или максимальные напряжения при перегрузках, возникающие в детали при ее работе в конкретной машине (т. е. те, которые испытывает конкретная деталь в конкретной машине при определенных рабочих условиях). [таким образом для одной и той же детали, работающей в разных условиях максимальные напряжения также будут разными, а допускаемые определяются только свойствами материала и соответственно не меняются]. σТ , τТ – предел текучести материала σв, σв сж– временное сопротивление растяжению и сжатию σ-1, τ-1 – предел выносливости: такие наибольшие циклические напряжения, которые с наибольшей заданной вероятностью нагружения может выдержать деталь неограниченное время.

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин Расчет по номинальным допускаемым напряжениям (проектировочный) в общем виде σmax≤[σ]; τmax≤[τ]. (т. е. максимальные рабочие напряжения, определяемые условиями работы детали, не должны превышать предел прочности, зависящего от физических свойств материала). Расчет по коэффициентам запаса прочности (КЗП) Более точный, т. к. учитываются в явной форме отдельные факторы, влияющие на прочность: концентраторы напряжений, размеры деталей, упрочнение. [σ]= σlim/[S], где [S] – допустимый КЗП S= σlim/σmax≥[S]; (т. е. КЗП показывает во сколько раз максимальные рабочие напряжения меньше предельных напряжений, которые может выдержать материал при заданном нагруженнии [растяжение, сжатие, кручение, изгиб]).

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин Расчет на прочность при постоянных напряжениях деталей из пластичных материалов обычно производят согласно условию отсутствия общих пластических деформаций, т. е. в этом случае σlim=σТ → ST= σТ/ σmax=1. 3÷ 1. 5; Расчет на прочность при постоянных напряжениях, равномерном напряженном состоянии и хрупком состоянии материала ведут относительно предела прочности временного сопротивления материала растяжению или сжатию σlim=σв → Sв= σв/ σmax=1. 5÷ 2. 5; Расчет на прочность при действии переменных напряжений должен обеспечивать необходимый КЗП относительно предела выносливости σlim=σR → SR= σR/ σmax=1. 5÷ 5.

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин Методы определения КЗП 1) Опытно статистический на основании накопленного опыта формируют таблицы КЗП для определенных материалов и условий работы. 2) Дифференциальный метод: КЗП определяется как произведение частных коэффициентов, отражающих: 1) достоверность определения расчетных нагрузок и напряжений S 1=1÷ 1. 5; 2) однородность механических свойств материалов S 2, для стальных деталей из поковок и проката S 2=1. 2÷ 1. 5; для чугунных деталей S 2=1. 5÷ 2. 5; 3) специфические требования безопасности S 3=1÷ 1. 5. Тогда общий КЗП S=S 1 S 2 S 3. 3) Вероятностный метод.

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин Расчет на выносливость При одноосном растяжении сжатии или изгибе При кручении При совместном действии изгиба и кручения или растяжения сжатия и кручения где σ-1, τ-1 – пределы выносливости материала при знакопеременном симметричном цикле; σm, τm – постоянные составляющие напряжений; σa, τa –амплитуды напряжений; kσ, kτ –эффективные коэффициенты концентрации напряжений; kf – коэффициент влияния шероховатости поверхности; kd – масштабный коэффициент; ψσ , ψτ – коэффициенты, характеризующие чувстви тельность материала к асимметрии цикла.

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин Расчет на прочность при нерегулярных циклических напряжениях Кривая усталости (Велера). Уравнение кривой Тогда условие прочности где Ni число циклов до разрушения при действии некоторого напряжения σRi; N 0 – число циклов напряжений до перелома кривой усталости, т. е. до достижения длительного предела выносливости σR 0. Условие равнопрочности. Очевидно, что нет необходимости конструировать отдельные элементы машины с излишними запасами несущей способности, которые все равно не могут быть реализованы в связи с выходом конструкции из строя из за разрушения или повреждения других элементов.

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин ЖЕСТКОСТЬ – способность деталей сопротивляться изменению формы под действием внешних сил Расчет на жесткость предусматривает ограничение упругих перемещений деталей в пределах, допустимых для конкретных условий работы. Жесткость – один из важнейших критериев работоспособности наряду с прочностью. Во многих деталях машин напряжения значительно ниже предельных, например в станинах металлорежущих станков они составляют всего несколько МПа, и размеры таких деталей диктуются именно условиями жесткости. Нормы жесткости деталей устанавливают на основе практики эксплуатации и расчетов. Значение критерия жесткости возрастает в связи с тем, что совершенствование материалов происходит главным образом в направлении повышения их прочностных характеристик (σв, σ-1), а модуль упругости Е (характеристика жесткости) изменяется незначительно или остается постоянным. При этом чаще встречаются случаи, когда размеры детали, полученные из расчета на прочность, оказываются недостаточными по жесткости.

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин Жесткостные характеристики материала: E – модуль упругости I рода (модуль упругости при растяжении сжатии [модуль Юнга]); E = (2… 2. 2) 105 МПа – сталь; E = 1. 1 105 МПа – титановые сплавы; E = 0. 7 105 МПа – алюминиевые сплавы. G – модуль упругости II рода (модуль упругости при сдвиге) для стали G=8. 35· 104 МПа Количественные характеристики жесткости: Коэффициент жесткости C – сила, вызывающая единичную деформацию [Н/м]. Коэффициент податливости λ – деформация, вызываемая единичной силой [м/Н]. Требования к жесткости деталей машин определяются: 1) Условиями прочности детали – при неустойчивом равновесии, а также при ударных нагрузках; 2) Условиями работоспособности сопряженных деталей (жесткость валов определяет удовлетворительную работу подшипников, а также зубчатых передач и др. ); 3) Условиями динамической устойчивости; 4) Технологическими условиями (качество обработки на станках).

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ Изнашивание – процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и/или накопление его остаточной деформации при трении. Износ проявляется в постепенном изменении размеров детали. Т. о. ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ – способность детали сопротивляться изменению размеров и/или формы под действием сил трения на ее поверхности. Износ ограничивает работоспособность машин по следующим параметрам: а) по потере точности – приборы, измерительный инструмент, прецизионные станки; б) по снижению КПД, увеличению утечек – цилиндр и поршень в двигателях, насосах и т. д. ; в) по снижению прочности вследствие уменьшения сечений, неравномерного износа опор, увеличения динамических нагрузок – зубья зубчатых и червячных колес и т. д. ; г) по возрастанию шума – передачи быстроходных машин (транспортных); д) по полному истиранию, которое делает деталь непригодной – тормозные колодки, рабочие органы землеройных машин.

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин Виды изнашивания 1. Механическое изнашивание, которое в основном определяется абразивным изнашиванием, т. е. изнашивание посторонними твердыми частицами. Абразивное изнашивание проявляется в виде: 2. а) усталостного разрушения при многократном повторном деформировании микровыступов с малой глубиной взаимного внедрения; 3. б) малоцикловой усталости при повторном пластическом деформировании микровыступов со средней глубиной внедрения; 4. в) микрорезания при глубоком внедрении. 5. 2. Молекулярно-механическое изнашивание (изнашивание при схватывании). 6. Схватывание происходит вследствие молекулярных сил при трении. 7. Схватывание в начальной форме проявляется в намазывании материала одной сопряженной детали на другую, а в наиболее опасной форме – в местном сваривании трущихся поверхностей с последующим вырыванием частиц одного тела, приварившихся к другому, при дальнейшем их относительном движении. 8. 3. Коррозионно-механическое изнашивание, при котором механическое изнашивание сопровождается химическим или электрическим взаимодействием материала со средой (продукты коррозии стираются механическим путем). 9. Коррозия – процесс постоянного разрушения поверхностных слоев металла в результате окисления. 10. Фреттинг коррозия (to fret – разъедать) – разрушение постоянно контактирующих поверхностей в условиях тангенциальных микросмещений без удаления продуктов износа (проявляется на посадочных поверхностях колец подшипников качения, зубчатых колес, шлицевых соединений). 11. Водородный износ, связанный с выделением водорода при разложении воды, нефти и нефтепродуктов, деструкцией пластмасс при трении, применении водородного топлива.

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин Важность критерия износостойкости Изнашивание увеличивает стоимость эксплуатации, вызывая необходимость проведения дорогих ремонтных работ. Для многих типов машин за период их эксплуатации затраты на ремонты и техническое обслуживание в связи с изнашиванием в несколько раз превышают стоимость новой машины. Несвоевременный ремонт приводит к поломке машины, а в некоторых случаях и к аварии. Триботехника – наука о трении, смазке и изнашивании механизмов. Методы борьбы с износом деталей. 1. Применение смазочных материалов. 2. Применение антикоррозионных покрытий или материалов устойчивых к процессу коррозии (нерж. стали, пластмассы и др. ) 3. Избирательный перенос – физико химический процесс, происходящий в среде поверхностей трения и смазки, в результате которого на поверхностях деталей образуется защитная пленка (Образование металлической защитной пленки может происходить за счет материала, содержащегося в смазке и самих трущихся парах. Например, в паре сталь+медь или ее сплавы (бронза, латунь) пленкообразующим материалом будет медь. Пленкообразующим присадком смазки для пары сталь+сталь может быть, например, медный порошок, добавляемый в специальную смазку).

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин Расчеты на износостойкость 1. Обеспечение режима жидкостного трения, т. е. необходимо обеспечить смазочный слой между поверхностями контактирующих деталей, превышающий высоту микронеровностей (шероховатость) и отклонений формы (Подшипники скольжения). Сложности: необходимость постоянной подачи смазочного материала, свободного от абразивных частиц. 2. При невозможности создания режима жидкостного трения, обеспечение требуемого ресурса достигается назначение допустимых давлений, установленных практикой p≤[p], где допустимое давление [p]=1… 4 МПа – для подшипников скольжения большинства стационарных машин. Также применяют расчет по произведению давления на скорость pυ≤[pυ], где [pυ]=2… 10 МПа∙м/с – для подшипников скольжения большинства стационарных машин. 3. В общем случае, применяют следующую зависимость, характеризующую износостойкость pm. S=const, где p – давление (контактное напряжение); S – путь трения; m≈1 – при абразивном изнашивании, m≈1… 2 – при сухом трении со значительными давлениями, m≈3 – при полужидкостной смазке.

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин ТЕПЛОСТОЙКОСТЬ Работа машин сопровождается тепловыделением, вызываемым рабочим процессом машин и трением в их механизмах. Тепловыделение, связанное с рабочим процессом, особенно интенсивно у тепловых двигателей, электрических машин, литейных и машин для горячей обработки материалов. Виды тепла: 1) внешняя среда; 2) источники энергии внутри машины; 3) внешнее трение; 4) внутреннее трение в материале (переменные напряжения). Нагрев деталей может вызывать следующие вредные последствия: 1. Понижение прочности материала и появление ползучести (Жаропрочность). Следствие: Понижение несущей способности деталей, изменение зазоров в сопряженных деталях, что может привести к заклиниванию и заеданию. 2. Понижение защитной способности смазочного слоя. Следствие: Невозможность обеспечения режима жидкостного трения, что ведет к повышенному износу. 3. Изменение зазоров вследствие обратимых температурных деформаций. Следствие: Заклинивание или схватывание контактирующих деталей (вал в подшипнике скольжения). 4. Изменение свойств трущихся поверхностей (например, снижение коэффициента трения в тормозах, уменьшение вязкости масла). 5. Понижение точности работы машины (прецизионные станки).

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин Тепловой расчет Q 1≤Q 2 Q 1 – выделяемое тепло; Q 2 – отводимое тепло. [тепловыделение за единицу времени должно быть меньше или равно теплоотдаче] В общем случае Q 1=N 1 ψ, где N 1 – мощность источников тепла внутри машины; ψ – коэффициент рассеивания энергии. Q 2=αA(Tр-Tа), где α – коэффициент теплоотдачи; A – площадь поверхности теплообмена с окружающей средой; Tр – температура внутри машины; Tа – температура окружающей среды. В случае невыполнения условия теплового баланса необходимо вводить конструкцию элементы для дополнительного охлаждения: увеличивать площадь теплообмена с помощью ребер охлаждений (конвективный теплообмен) или введение циркуляционной системы охлаждения с использованием жидкости. Для тепловых машин используют более точные методы расчетов полей температур, рассматриваемых в теории теплопередачи.

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин ВИБРОУСТОЙЧИВОСТЬ – способность конструкций работать в нужном диапазоне режимов без недопустимых колебаний. В машинах основное распространение имеют: 1. Вынужденные колебания, вызываемые внешними периодическими силами (неуравновешенность вращающихся деталей, погрешностями изготовления, переменными силами в поршневых машинах и т. д. ). 2. Автоколебания или самовозбуждающиеся колебания, т. е. колебания, в которых возмущающие силы вызываются самими колебаниями (фрикционные автоколебания, вызываемые падением силы трения с ростом скорости; гидродинамические автоколебания в подшипнике скольжения, вызываемые неуравновешенной частью реакции смазочного слоя). 3. Расчет на виброустойчивость проводят из условия несовпадения частоты рабочего режима с критическими частотами. 4. Критическая частота – частота собственных 5. колебаний технической системы. 6. Реальное твердое тело имеет бесконечное 7. множество критических частот. 8. При расчетах техническую систему значительно 9. упрощают и на практике рассматривают 10. обычно первые три критические частоты. 11. Для одномассовой колебательной 12. системы первая критическая частота

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин В общем виде условие виброустойчивости можно записать где – коэффициенты запаса, . Физический смысл заключается в том, что рабочие частоты не должны находится в зоне резонанса, т. к. в этом случае возможно разрушение ротора. Материал валов обладает демпфирующей способностью, что позволяет при определенных условиях переходить в зарезонансную зону.

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин Пример: ротор=вал+диск вращается в упругих опорах (подшипники качения); вал жесткостью C , диск имеет некоторый дисбаланс e [ смещение центра тяжести относительно оси вращения]. Уравнение баланса сил в плоскости диска Fин=Fупр: Выражаем динамический прогиб: Анализ: 1) при n < n с увеличением скорости вращения происходит рост динамического кр прогиба. При резонансе ( n = n кр ) наблюдается резкий рост амплитуд и формально прогиб стремится к бесконечности. В за критической зоне ( n >n кр ) происходит уменьшение прогиба. Это явление называется самоцентрированием вала. В этом случае n кр / n становится меньше 1 и значение динамического прогиба меняет знак на противоположный, что означает его уменьшение.

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин НАДЕЖНОСТЬ Надежность (общая) — свойство объекта (изделия) выполнять в течение заданного времени или заданной наработки свои функции, сохраняя в заданных пределах эксплуатационные показатели. Надежность изделий обусловливается их безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью. Безотказность — свойство сохранять работоспособное состояние в течение заданной наработки без вынужденных перерывов. Это свойство особенно важно для машин, отказы которых связаны с опасностью для жизни людей (например, самолеты) или с перерывом в работе большого комплекса машин. Долговечность — свойство изделия сохранять работоспособное состояние до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта. Ремонтопригодность — приспособленность изделия к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов. Сохраняемость — свойство изделия сохранять безотказность, долговечность и ремонтопригодность после и в течение установленного срока хранения и транспортирования.

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин Отказ – утрата работоспособного состояния изделия (полная или частичная). По времени проявления отказы бывают: постоянные и случайные. По виду отказа: функциональные – утрата способности данной машины выполнять свои функции (например, поломка зуба в зубчатой передаче); параметрические – отклонение различных характеристик больше заданной нормы (например, потеря точности вследствие повышенного износа некоторых деталей). по своей природе могут быть связаны с разрушением деталей или их поверхностей (поломка, выкрашивание, износ, коррозия) или не связаны с разрушением (засорение каналов, ослабление соединений). отказы бывают полные и частичные: внезапные (например, поломки); l постепенные (изнашивание, коррозия и др. ); постепенные по развитию, но внезапные по проявлению (усталость); опасные для жизни человека, тяжелые и легкие; устранимые и неустранимые. по времени возникновения отказы делятся на: I – приработочные (возникающие в первый период эксплуатации и связанные с отсутствием t приработки и с попаданием в сборку дефектных I III элементов); II – отказы при нормальной эксплуатации (до График интенсивности отказов проявления постепенных износовых отказов); III – износовые отказы.

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин Основным показателем безотказности является вероятность P(t) безотказной работы в течение заданного времени или наработки P(t)=Nраб/N, где N – общее число изделий в партии; Nраб – число работающих изделий. Вероятность отказа Q(t)=Nотк/N, где Nотк – число отказавших изделий. Основное уравнение теории надежности P(t)+Q(t)=1. Средняя наработка до отказа – Интенсивность отказов – отношение числа отказов Nотк за промежуток времени t к числу работоспособных объектов Nраб λ= Nотк / t∙Nраб Вероятность безотказной работы по закону нормального распределения Для постепенных отказов справедлив закон распределения, который дает вначале низкую плотность вероятности отказов, затем максимум и далее падение, связанное с уменьшением числа элементов, оставшихся работоспособными.

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин Надежность системы из n последовательно расположенных элементов. Надежность системы из n параллельно расположенных элементов. Система из совокупности параллельно и последовательно расположенных элементов. Дано: вероятность безотказной работы элементов А и B по отдельности составляет 0, 9; вероятность безотказной работы элемента С равняется 0, 95; вероятность отказа элемента D равняется 0, 2. Вероятность безотказной совместной работы элементов А и С Также определяется вероятность совместной работы элементов B и D. Для элемента D вероятность безотказной работы PD=1 QD=1 0, 2=0, 8. Сложная система приводится к параллельному соединению двух элементов AC и BD

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин При последовательном соединении • Надежность сложной системы всегда меньше надежности элемента с наименьшей вероятностью безотказной работы. • Чем больше элементов в системе, тем меньше ее надежность. При параллельном соединении надежность всей системы может быть больше, чем надежность элемента с наименьшей вероятностью безотказной работы. Способы повышения надежности. 1. Уменьшение числа элементов всей системы. 2. Повышение коэффициентов запаса. 3. Эксплуатация (соответствие условий эксплуатации заложенным при проектировании; технический ремонт, обслуживание и пр. ) Стадии обеспечения надежности 1. Проектирование (в расчетах инженер закладывает определенные коэффициенты запаса, при конструировании использует опыт предыдущих разработок, обосновывает технологичность изделия и материалов и др. ) 2. Производство (соблюдение параметров, заложенных конструктором при производстве, контроль за выходом продукции и т. д. ) 3. Эксплуатация (соответствие условий эксплуатации заложенным при проектировании; технический ремонт, обслуживание и пр. )

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин Примеры задач Жестко закрепленный с одного L основания стальной брус постоянного d круглого сечения диаметром d=50 мм, длинной L =50 см растягивается силой F=10000 Н. 1. Провести проверку стержня на F прочность. 2. Определить жесткость стержня. 1. 1 Условие прочности на растяжение в общем виде: σ≤[σ]. 1. 2 Напряжение σ в стержне от действия силы F: σ=F/A, где A-площадь на которой действуют напряжение: A=πd 2/4. Тогда σ=4 F/ πd 2=40000 / 3. 14∙ 0. 052=5095541 Па = 5. 095 МПа. 1. 3 Допускаемое напряжение растяжения [σ] = 1. 4 Проверка условия прочности 2. 1 Жесткость стержня в общем виде С= F / Δ L , где Δ L абсолютное удлинение стержня. 2. 2 По закону Гука относительное удлинение ε = σ / E , где E модуль упругости материала [для большинства сталей Е=2÷ 2. 2× 105 МПа]; σ – определено в п. 1. 2. 2. 3 Относительное удлинение ε= ΔL/L, тогда ΔL = ε∙L; ε – определено в п. 2. 2. 2. 4 Окончательно получаем С= F/ΔL=F/ε∙L= E∙F/σ∙L= E∙πd 2/4 L= Е=2× 105∙ 3. 14∙ 0. 052/4∙ 0. 5=785× 106 Н/м.

ДМи. ОК Критерии работоспособности и расчета деталей машин КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Перечислите критерии работоспособности — перечислите и приведите примеры конструкций, где тот или иной критерий является главным. 2. Основные характеристики и требования, предъявляемые к машинам и механизмам. 3. Что подразумевает в себе процесс проектирования? 4. Чем различается деталь и узел машины? 5. Классификация типовых деталей машин. 6. Перечислите критерии работоспособности деталей машин и дайте им определения. 7. Назовите основные физические свойства материала. 8. Перечислите основные геометрические фигуры, которые используют при упрощенных моделях деталей машин. 9. Назовите виды циклов напряжений, которые испытывают большинство деталей машин. 10. Условие расчета на прочность в общем виде. Понятие номинального и предельного напряжения. 11. Коэффициент запаса прочности и методы его определения. 12. Что такое условие равнопрочности. 13. Размерность и физический смысл модуля упругости E. 14. Общий вид расчетов на жесткость. 15. Что такое изнашивание материала, его виды и в чем заключается его влияние на работоспособность деталей машин? 16. Методы борьбы с износом и виды расчетов на износостойкость. 17. Общий вид расчета на теплостойкость и в чем заключаются вредные последствия невыполнения данного критерия. 18. Что такое критическая частота, явление резонанса? 19. Условие расчета на виброустойчивость в общем виде? 20. Из курса «Сопротивление материалов» повторить задачи по расчету на прочность и жесткость при различных видах нагружения (растяжение сжатие, изгиб, кручение).