Файл: Стандартизация и качество машин учеб. пособие.pdf

разработку программы обработки информации о надежности изделий с учетом планируемого объема работ и наличия типа вы­ числительных машин;

выбор опорных пунктов и предприятий-потребителей для прове­ дения наблюдений;

согласование с организациями-потребителями, эксплуатирующи­ ми намеченные для постановки под наблюдение изделия, программ и методик проведения работ;

разработку инструкций по заполнению форм для сбора инфор­ мации о надежности изделий;

разработку рекомендаций по усовершенствованию конструкций, технологии и режимов эксплуатации с целью повышения надежно­ сти изделий.

В зависимости от типа изделия сбор информации о надежности может осуществляться на предприятиях-потребителях, полигонах, машино-испытательных станциях, предприятиях технического об­ служивания и ремонта, в гарантийных мастерских, а также опор­ ных пунктах, организуемых на предприятиях-потребителях.

Сбор информации о надежности изделий серийного и массового производства должен проводиться с начала его эксплуатации по­ требителем.

Для оценки надежности изделий, имеющих большой срок служ­ бы и выпускаемых малыми сериями или в виде единичных образцов, допускается начинать сбор информации с момента проведения оче­ редного капитального ремонта или профилактического осмотра.

§ 6. ПРОЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ МАШИН

Одним из важнейших критериев работоспособности любой ма­ шины, элементы которой в процессе эксплуатации подвергаются силовому воздействию, является прочность.

П р о ч н о с т ь — это свойство детали (материала) сопротив­ ляться физическому разрушению.

Физическое разрушение деталей в машинах происходит внезап­ но и приводит к мгновенной потере работоспособности машины, что в свою очередь может вызвать тяжелые последствия, связан­ ные с большими материальными потерями и даже человеческими жертвами. Поэтому расчет деталей машин на прочность является неотъемлемой частью процесса проектирования.

В большинстве случаев разрушение деталей сопровождается из­ менением их формы — деформированием. Практически все извест­ ные машиностроительные материалы деформируются под действием внешних нагрузок. Деформация называется упругой, если после снятия нагрузки она полностью восстанавливается. Необратимые деформации, которые остаются после снятия нагрузки, называются остаточными, или пластическими.

57

Большинство современных методов расчета на прочность осно­ вано на тщательном изучении деформационных и прочностных 'Свойств материалов. Важнейшие прочностные и деформационные характеристики материалов — предел прочности, предел упругости, предел текучести, предел выносливости, относительное остаточное удлинение, модуль упругости и другие — приводятся в государст­ венных стандартах на материалы и в официальных справочниках.

• В нашей стране стандартизованы также испытательные маши­ ны и методы определения указанных характеристик материалов. Так, ГОСТ 2860—65 «Металлы. Методы испытания на усталость» устанавливает стандартную терминологию и обозначения в обла­ сти усталости металлов, основные виды диаграмм, применяемых

.для регистрации и анализа результатов испытаний, стандартные условия проведения испытаний, форму и размеры стандартных об­ разцов и другие необходимые сведения.

На рис. 16 изображена типичная диаграмма растяжения для ■конструкционной стали в координатах «напряжение — относитель­ ное удлинение»; на ней нанесены точки, определяющие основные механические характеристики материала.

Рис. 16. Типичная диаграмма растяжения

Первый участок диаграммы растяжения от точки 0 прямоли­ неен и аналитически описывается уравнением, известным как закон

зависимость, т. е. прямая пропорциональность между напряжения­

;58

П р е д е л о м у п р у г о с т и сгу называется такое наибольшее напряжение, при котором остаточные деформации впервые дости­ гают некоторой малой величины.

Следует отметить, что предел упругости и предел пропорциональ­ ности трудно поддаются определению, и их величина в большой степени зависит от выбранной нормы точности на угол наклона диа­ граммы в рассматриваемой точке и на остаточную деформацию. Поэтому эти характеристики материала, как правило, не включа­ ются в справочники. Вместо них широкое применение нашла более определенная характеристика материала — предел текучести.

П р е д е л т е к у ч е с т и сгт — это то напряжение, при котором происходит деформация образца без заметного увеличения на­ грузки.

На диаграмме вслед за зоной текучести следует зона упрочне­ ния, в пределах которой материал вновь способен противостоять воздействию возрастающей нагрузки.

Отношение максимальной силы, которую способен выдержать образец, к его начальной площади поперечного сечения называет­

Предел прочности — условная величина, так как фактическое на­ пряжение в шейке образца в момент разрыва значительно превос­ ходит ов, и его широкое распространение в расчетной практике объ­ ясняется лишь простотой и удобством определения.

Аналогичные характеристики определяются для всех материа­ лов при растяжении, сжатии и кручении и используются в расче­ тах на прочность.

В настоящее время наибольшее распространение в машино­ строении получили методы расчета на прочность: по номинальным допускаемым напряжениям; по запасам прочности; по несущей спо­ собности; по заданным остаточным перемещениям. В первых двух методах, исходя из формы и размеров детали и величины и харак­ тера действующих внешних сил, определяют аналитически макси­ мальные напряжения, возникающие в детали в процессе эксплуа­ тации, и сравнивают их с принятыми допускаемыми напряжения­ ми либо с механическими характеристиками материала.

Расчет на прочность при постоянных напряжениях деталей, из­ готовленных из пластичных материалов, обычно производится, исхо­ дя из условия отсутствия общих пластических деформаций; при

с пределом прочности, при этом предел прочности при сжатии, рас­ тяжении, изгибе и кручении у них, как правило, неодинаков.

Для однородных материалов, чувствительных к концентрации напряжений (закаленная сталь), в расчет принимаются коэффи­ циенты концентрации напряжений. Для пластичных материалов концентрация напряжений не берется в расчет, поскольку локаль­

5 9

ные участки ползучести не оказывают влияния на прочность де­

тали.

Как правило, в любой точке нагруженной детали напряженное состояние отличается от одноосного, для которого определены меха­ нические характеристики материалов, и в общем случае может иметь место бесконечно большое число сочетаний различных по величине, направлению и виду напряжений. Решение задач для сложного напряженного состояния производится с использованием одной из г и п о т е з п р е д е л ь н ы х с о с т о я н и й (теорий проч­ ности), дающих общий метод оценки меры опасности любого на­ пряженного состояния при ограниченном числе механических испы­ таний материала. Эти чисто эмпирические гипотезы или гипотезы, описывающие наблюдаемые в материале процессы, дают возмож­ ность определить э к в и в а л е н т н о е н а п р я ж е н и е , которое следует создать в растянутом образце, чтобы его напряженное со­ стояние стало равноопасным с рассматриваемым сложным напря­ женным состоянием (рис. 17). Если величина эквивалентного напря­ жения (Тэкв найдена, т. е. выражена через 0 Ь о2, 0з, то коэффициент запаса при растяжении определяется обычным образом n = 0т/0эк«.

Такова в самых общих чертах схема расчета на прочность дета­ лей, подвергаемых воздействию статических или условно статиче­

чаются. Имеется ряд деталей, нагрузки на которые мало или редко изменяются: заклепки, некоторые винты, быстровращающиеся дета­ ли, в некоторых случаях валы и муфты.

Подавляющее большинство деталей машин испытывает пере­ менные во времени напряжения, изменяющиеся по тому или иному закону. Характер разрушения и методы расчета таких деталей на прочность отличны от статически нагруженных.

Как показывают многочисленные наблюдения, разрушение де­ талей при переменном напряжении наступает после некоторого чис­ ла циклов, в то время как при статическом напряжении той же ве­ личины разрушения не происходит. Такое разрушение называется усталостным и объясняется постепенным развитием закалочной трещины, механической царапины, инородного включения или дру­ гого микроскопического поверхностного дефекта. С увеличением

60

трещины ослабляется сечение детали и, наконец, происходит вне­ запное разрушение. Характер усталостного разрушения зависит от вида напряженного состояния, в связи с чем различают усталость при растяжении — сжатии, изгибе, кручении и контактную уста­ лость.

Наиболее характерными деталями, подверженными усталостно­ му разрушению, являются коленчатые валы, шатунные болты, зубья шестерен, кольца подшипников качения, пружины, торсионы.

Очень часто напряжения в деталях изменяются во времени по синусоидальному закону (оси железнодорожных вагонов) или мо­ гут быть представлены в виде суммы синусоидальных гармоник, что значительно облегчает расчеты.

В общем виде синусоидальный цикл изменения напряжения а по времени t может быть представлен в виде графика (рис. 18). Основными характеристиками цикла являются: сТщах— максималь­

г= Omjn/cTmax — коэффициент асимметрии цикла.

Если <7тах = — Omiib то г = —1 и цикл называется с и м м е т р и ч - н ы м. Примером симметричного цикла является изменение напря­ жения в оси движущегося вагона.

Рис. 18. График синусоидальных переменных на­ пряжений

Если ати^О или Отах=0, то г= 0 и цикл называется п у л ь с а ­ цию н н ы м. Такой цикл имеют изгибные напряжения зубьев ше­ стерни.

Любой цикл может быть представлен, как результат наложе­ ния постоянного напряжения ат на симметричный цикл и тогда

Многочисленными экспериментами установлено, что с увеличе­ нием напряжения число циклов, которое может выдержать образец до разрушения, постепенно уменьшается и что для большинства черных металлов существует такое максимальное напряжение аШах, при котором материал не разрушается при любом числе циклов.

61