Файл: Решетов, Д. Н. Работоспособность и надежность деталей машин учебное пособие.pdf

Д. Н. РЕШЕТОВ проф., докт. 1ехн. наук

РАБОТОСПОСОБНОСТЬ

И НАДЕЖНОСТЬ

ДЕТАЛЕЙ

МАШИН

Допущено Министерством высшего и среднего слеци* ального образования СССР в качестве учебного пособия

для студентов машиностроительных специальностей вузов

М0СК8А «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1974

Гоа. ггвличчч*}

р 31302 214 j j | _ 74

001(01)—74

©Издательство «Высшая школа», 1974 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Основой для написания книги явился курс лекций, читанных ав­ тором в течение ряда лет в МВТУ имени Баумана студентам специаль­ ности «Динамика и прочность машин» и слушателям факультета повы­ шения квалификации преподавателей по специальности «Детали машин».

Огромный объем имеющейся информации и ограниченность объе­ мов учебников по деталям машин вызывает необходимость написания книги для второго концентра изучения предмета после прохождения общего курса втуза.

Общий курс правомерно строится по изучаемым объектам — де­ талям машин и имеет структуру, оптимальную для практического ис­ пользования. Построение пособия для второго концентра по той же схеме неизбежно должно привести к повторениям. Между тем разные детали машин подчиняются общим критериям работоспособности, расчета и конструирования. Построение пособия по критериям рабо­ тоспособности и надежности позволяет достигнуть большей общности расчетов, облегчает перенос опыта расчетов (в частности, допускае­ мых напряжений и других характеристик) с одних (более массовых) деталей на другие, поднимает роль расчетов на жесткость, износо­ стойкость, теплостойкость, надежность.

Назначение книги — сообщить читателям сведения по одной из актуальнейших проблем современной техники — надежности и дол­ говечности машин и по другим современным вопросам расчета и кон­ струирования деталей машин. Она должна способствовать единству подхода к расчету и конструированию деталей машин.

Недостаточная точность и надежность расчетов машин бывает,

содной стороны, связана с незнанием теоретических и эксперимен­ тальных разработок отдельных вопросов или с применением в них слишком сложного аппарата и недоведением результатов до удобного использования, с другой, при привлечении к расчетам представителей более точных наук, — с неучетом важных практических факторов или

суточненным учетом одной группы факторов и неучетом другой. По­ этому одной из задач написания книги было способствовать сближению результатов исследований и практики конструирования и расчета деталей машин. В книге по возможности отражен практический опыт расчета и конструирования машин.

Ограниченность объема книги позволила осветить многие вопросы лишь в общей форме с минимальным количеством расчетов.

Предназначается в качестве учебного пособия для студентов маши­

ностроительных специальностей вузов. Может быть также полезна работникам КБ и НИИ.

з

I. Н АГРУЗКИ В М АШ И НАХ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Нагрузки, действующие на детали машин, можно разделить на

кромочных, нагрузок, связанных с концентрацией нагрузки (давле­ ния) по поверхности контакта. Концентрация нагрузки отличается от концентрации напряжения тем, что она возникает на поверхности контакта.

Естественно, не все динамические нагрузки — вредные. В машинах ударного действия (например, в молотах) и машинах вибрационного действия (в резонансных испытательных машинах и др.) динамиче­ ские нагрузки используют для осуществления полезного рабочего процесса.

в основном силы тяжести, нагрузки от начальной затяжки, от постоян­ ного давления жидкости или газа. К ним же относят нагрузки, по­ стоянные в течение длительного цикла работы, так как они вызывают разрушение того же характера.

Весовые нагрузки имеют основное значение в транспортных и подъ­ емно-транспортных машинах, в установках для глубокого бурения. Они существенны также в машинах, имеющих тяжелые роторы с урав­ новешенными поперечными внешними силами.

Нагрузки от начальной затяжки могут достигать значительных величин и служить самостоятельной причиной отказов. Так, наблю­ даются случаи надрыва болтов, особенно малого диаметра, при

неравномерность рабочего процесса машины-двигателя. Например, в поршневых машинах простого действия обратный ход поршня хо­ лостой; индикаторная диаграмма двигателей внутреннего сгорания, т. е. диаграмма изменения давления в цилиндре по ходу поршня, резко неравномерна;

внутренняя динамика — пуск, торможение, реверсирование, уско­ рения звеньев механизмов, неуравновешенность, ошибки изготов­ ления;

4

неравномерность и переменность рабочего процесса машины-орудия, Существенна неравномерность во всех машинах с прерывистым про­ цессом (строгальных, долбежных, протяжных станках, прессах, экс­ каваторах). Наибольшая неравномерность — у машин ударного и вибрационного действия;

переменность режима работы, сил сопротивления и динамические воздействия в транспортных машинах.

Указанные возмущающие нагрузки вызывают колебания в системе. Возможно возникновение автоколебаний и динамической неустой­ чивости.

Напряжения в подавляющем большинстве машин — переменные. Постоянные напряжения, так же как и постоянные нагрузки, преиму­ щественно вызываются силой тяжести и начальной затяжкой. На по­ стоянные напряжения рассчитывают большинство заклепок, болты с большой начальной затяжкой, котлы и резервуары, детали с длитель­ ным циклом нагружения. Постоянные нагрузки могут вызывать пере­ менные напряжения вследствие: а) вращения деталей типа валов, осей относительно нагрузки, в результате чего растянутые волокна через пол-оборота становятся сжатыми, и наоборот, б) поочередного входа в зацепление зубьев, подвергающихся, таким образом, напряже­ ниям по пульсационному циклу.

Переменные нагрузки бывают постоянного и изменяющегося уров­ ней или стационарные и нестационарные. Нестационарные нагрузки — это переменные нагрузки с меняющимися параметрами, в первую очередь, с меняющейся амплитудой. Подавляющее большинство машин

Переменность нагрузки автомобиля может быть связана: с загруз­ кой (автомобиль может ехать с полной загрузкой, с частичной или без груза), с рельефом местности (езда в гору, по ровной местности и под гору), с видом и качеством дорожного полотна или грунта (асфальт, ростовая, грунтовая дорога, песок), с разной скоростью движения, с остановом и разгоном у светофоров, с водителем разной квалифика­ ции и т. д. Каждый из этих факторов может менять нагрузку в несколь­ ко раз.

Универсальные станки, составляющие подавляющее большинство станочного парка страны, могут работать то на обдирке, то на отде­ лочных операциях, в условиях индивидуального, серийного и круп­

производстве, также подвержены переменным нагрузкам в связи с раз­ ными технологическими операциями и с периодической перестройкой на обработку других деталей.

Машин, работающих с постоянными режимами, очень мало. К ним относятся машины центральных силовых и насосных станций, транс­ портные машины для работы на длинных линиях.

5

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК ПО ВРЕМЕНИ

ВСССР и в других странах в применении к технологическим и транспортным машинам: станкам, автомобилям, тракторам, горным и сельскохозяйственным машинам — проведены записи нагрузок в функ­ ции времени и накоплена некоторая обобщающая эксплуатационная информация о нагрузках.

Вобщем случае переменными являются как амплитуды, так и сред­ ние значения нагрузок и напряжений. Осциллограммы при тензометрировании получаются в виде сложных кривых. Для практического использования их систематизируют, причем непрерывное изменение нагрузок заменяют дискретным и общий диапазон разбивают на 10— 15 интервалов.

При уточненных расчетах напряжения можно приводить к симметричному знакопеременному циклу [53 и др.]

°а зкв= °а + Ф°т,

!

где оа — половина размаха между максимальным и ближайшим минимальным значением напряжения того же полуцикла; ат — среднее значение этих напря­

жений; тр — коэффициент влияния асимметрии цикла.

Сначала подсчитывают размахи, не превышающие двух интервалов. Потом их исключают из осциллограмм и подсчитывают размахи до трех интервалов

ит д.

Вэтих условиях необходима двухпараметрическая схематизация — по­ строение корреляционных таблиц.

Учитывая малость коэффициента ф и соответственно роли средних напряже­ ний, можно для расчетов принимать, что среднее напряжение остается постоян­ ным, и учитывать только переменность амплитуд. Соответствующие способы приведения называют однопараметрическими.

Вкачестве датчиков обычно используют тензодатчики, тарирован­ ные на нагрузки.

Из применяемых современных методов регистрации распределе­ ния нагрузок укажем на следующие:

1.Запись нагрузок на магнитную ленту с обработкой при помощи специальных электронных статистических анализаторов. Возможно

применение анализаторов, позволяющих двухпараметрическую схема­ тизацию и построение корреляционных таблиц.

2. Применение анализаторов мгновенных значений нагрузок по показаниям счетчиков без предварительной записи процессов.

Ручная расшифровка осциллограмм исключительно трудоемка и не может быть рекомендована. Применяют устройства для автоматиза­ ции обработки осциллограмм с использованием фотоэлектрических элементов, но они менее рациональны, чем анализаторы магнитной за­ писи на лентах.

Для изучения распределения номинальных нагрузок в машинах с постоянной скоростью вращения механизмов можно использовать самопишущие ваттметры или счетчики, регистрирующие время работы в каждой части диапазона мощности. Изучение номинальных нагрузок при повторяющихся процессах возможно путем хронометража работы и расчетного определения нагрузок.

6

Выбор расчетных законов распределения нагрузок по времени представляет собой статистическую задачу. Универсальные машины строят на неопределенного потребителя и неизвестные условия работы. Законы распределения, изученные статистически на действующих машинах, для новых машин (или даже для новых периодов эксплуа­ тации действующих машин) будут вероятностными.

На основе результатов наблюдений строят кривую относительного

общее число циклов нагружений. Для.вновь проектируемых машин

с каждым значением нагрузки. Площадь, очерчиваемая кривой плот­ ности вероятности, равна единице. Площадь до некоторого значения х — Р1Ртах выражает вероятность того, что нагрузка меньше Р.

Функция вероятности, как выражающая собой площадь, очерчи­ ваемую кривой / (х), также показывает вероятность того, что нагрузка меньше данной величины Р.

Изученные экспериментально распределения для разных машин можно свести к четырем типовым, за которые выбраны распределения, достаточно хорошо изученные в математике (рис. 2). Рекомендуются следующие типовые расчетные режимы работы машин: тяжелый

7