— Понятие о надежности, прочности и жесткости —

Любое изделие должно обладать основными категориями качества: надежностью, прочностью и жесткостью в работе.

Надежность (по ГОСТ 27.002-89) — свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в определенных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость в отдельности или определенное сочетание этих свойств как для объекта, так и для его частей.

Надежность не касается требований, непосредственно не влияющих на эксплуатационные показатели*, например повреждение окраски и т. д.

Таким образом, надежность характеризуется показателями, которые выявляются в процессе эксплуатации и позволяют судить о том, насколько изделие оправдывает надежды его изготовителей и потребителей.

Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность** в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Это свойство очень важно для машин и механизмов, входящих в комплексные системы, где даже временная остановка одного звена может вызвать сбой в работе всей автоматизированной линии.

Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов. Предельное состояние изделия характеризуется невозможностью дальнейшей его эксплуатации, снижением эффективности или безопасности. Основным показателем долговечности деталей, сборочных единиц и агрегатов служит технический ресурс — наработка объекта от начала эксплуатации или ее возобновления после ремонта до наступления предельного состояния, оговоренного в стандартах или технических условиях на изделие.

Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения его отказов, повреждений и устранению их последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания.

Сохраняемость — свойство объекта непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течение и после хранения и (или) транспортирования.

Прочность — один из основных критериев работоспособности изделия, обусловливаемой циклическими и контактными напряжениями. Отсюда принято различать циклическую прочность и контактную прочность.

Детали, подвергающиеся длительной переменной нагрузке, разрушаются при напряжениях, значительно меньших предела прочности материала при статическом нагружении. Особенно большое внимание при конструировании машин уделяется так называемым знакопеременным нагрузкам, которые много раз подряд меняют направление своего действия и «изматывают» или утомляют металл.

Детали машин, обладающие в обычных условиях нагружения хорошими эксплуатационными качествами, при знакопеременной нагрузке могут разрушаться от усталости без видимых деформаций так, как будто они выполнены из хрупкого материала.

Усталость металла — изменение состояния металла в результате многократного (циклического) деформирования, приводящее его к прогрессирующему разрушению. Если проанализировать процесс разрушения детали от действия переменных напряжений, то можно выделить две его фазы: образование микротрещины, а затем ее дальнейшее развитие до полного разрушения образца. Протекание первой фазы связано со структурными особенностями материала, состоянием поверхности и амплитудой цикла. Во второй фазе сохраняют влияние структурные особенности и амплитуда цикла, но вступают в силу новые факторы, такие, как размеры и форма детали и законы распределения напряжений по ее объему.

Статистика показывает, что до 80% поломок и аварий при эксплуатации машин связано с усталостными явлениями. Поэтому проблема усталостной прочности является важнейшей для повышения надежности и долговечности машин. Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости, то есть наибольшим напряжением, которое может выдержать металл без разрушения заданное число раз (для стали — 5 млн. циклов, для легких литейных сплавов — 20 млн. циклов).

Наиболее явно циклические нагрузки выражены в машинах и механизмах с возвратно-поступательным движением (поршневые машины, шатунно-кривошипные группы, кулачковые механизмы).

Во всех зубчатых передачах зубья колес подвержены циклическим нагрузкам. Валы, работающие под нагрузкой постоянного направления (валы зубчатых, ременных и цепных передач), также подвергаются циклическому нагружению.

Диаграмма сравнительной характеристики усталостной прочности для различных соединений типа «вал — ступица», характеризующая выносливость валов при циклическом кручении в зависимости от конструкции соединения, представлена на рис. 1

Рис.1

Анализ причин, определяющих степень снижения усталостной прочности валов в рассматриваемых соединениях, свидетельствует о значительном влиянии конструктивных особенностей подступичной части вала и формы ступицы на распределение контактных давлений. Изучение характера поломок деталей машин показало, что на их долговечность влияют главным образом форма и способы обработки. Остановимся на этом более подробно. Установлено, что прочность деталей машин существенно отличается от прочностных характеристик материалов, из которых эти детали были изготовлены. Наглядное представление об этом дает диаграмма (рис.2).

Рис.2

Если принять прочность образца из данного материала при испытании на разрыв за 100%, то предел выносливости образца составит 55...72%, а прочность деталей в зависимости от формы и типа соединений составит всего 7...24%. На диаграмме в процентах по сравнению с прочностью образца при разрыве представлена прочность деталей: сложной формы 2, 3,4 и 5, соединения типа «вал — ступица» 7, 8 и 9, соединений болтового, заклепочного и сварного 1,6,10 и 11, представляющих наиболее типичные случаи конструктивного исполнения деталей и соединений.

Усталостная прочность деталей резко падает при наличии ослаблений, резких переходов, острых углов, поднутрений и т. п., вызывающих местную концентрацию напряжений. Зоны концентрации напряжений (у краев отверстий, в выкружках, во входящих углах и т. д.) наиболее перегружены и служат местами начала пластической деформации или разрушения.

Степень концентрации напряжений зависит от вида концентраторов, состояния поверхности и размеров детали, материала детали, его химического состава и однородности, термообработки, механической прочности, характера рабочего цикла детали.

Среди концентраторов напряжений (рис.3) различают геометрические (концентраторы формы) и технологические (концентраторы, появление которых связано с нарушением структурообразования материала при изготовлении изделия).

Рис.3

Основными источниками геометрической концентрации напряжения на валах и осях служат их ступенчатая форма, выточки, поперечные отверстия, шпоночные канавки, шлицы и т. д. Чем больше перепад сечений на участке перехода и чем резче переход, тем выше местное напряжение.

Технологические концентраторы напряжения в деталях, подвергающихся механической обработке, возникают в результате перерезания волокон при обработке заготовки давлением. В литых деталях участки перехода часто бывают ослаблены такими литейными дефектами, как микротрещины, пористость, воздушные раковины и т. д. У кованых и штампованных деталей участки перехода в изгибах имеют пониженную прочность вследствие вытяжки металла на этих участках.

Примеры появления очагов концентрации напряжений на деталях приведены на рис.4

Рис.4

Грубые риски, оставшиеся после обработки на поверхности впадины шпоночного паза 1, между зубьями шестерни, вызывают появление постепенно растущих трещин усталости. Изломы валов чаще всего происходят в участках резкого перехода от большого диаметра к меньшему III (типа лысок и отверстий — IV, V), выполненному без галтели. В этом случае в местах грубых рисок, острых углов и местах резких переходов происходит сосредоточение (концентрация) напряжений, приводящих к поломке деталей. Отсюда можно сделать вывод, что при конструировании деталей следует избегать острых углов в ее конфигурации.

При статической нагрузке величина концентрации напряжения зависит от степени пластичности материала. У пластичных материалов явление концентрации напряжения выражено слабо. При повышении напряжения в зоне ослабления такие материалы переходят в состояние текучести. Хрупкие материалы при переходе местных напряжений за предел прочности разрушаются.

При циклических нагрузках явление концентрации напряжений выражено значительно сильнее.

На практике повышение усталостной прочности деталей достигают как технологическими, так и конструктивными способами.

К технологическим способам относятся термическая и химико-термическая обработка сталей, дробеструйная обработка и накатывание деталей роликами, алмазное выглаживание (уплотнение поверхности скругленным алмазным инструментом), ультразвуковое упрочнение и т. д. Например, накатывание резьб повышает прочность детали в 1,5...2 раза и практически устраняет концентрацию напряжений у основания резьбы.

Конструктивные способы повышения усталостной прочности деталей не всегда полностью могут устранить концентраторы напряжений. В таких случаях стремятся заменить резкие концентраторы умеренно действующими.

С целью повышения усталостной прочности переходных участков валов уменьшают перепад диаметров и вводят галтели, эффективность которых зависит от величин их радиусов. Для больших перепадов диаметров рекомендуется брать R/d 5>= 0,1, для малых перепадов — R/d = 0,05...0,08 (рис.5,I).

Рис.5

Эллиптические галтели (рис.5, II) обеспечивают при одинаковых перепадах диаметров относительно большее (примерно на 20%) увеличение прочности. Эффективность таких галтелей зависит от отношения большой полуоси b эллипса к диаметру вала d. Чем больше b/d и а/b, тем ниже коэффициент концентрации напряжения.

Введение эллиптических галтелей сокращает длину цилиндрической части вала, что не всегда желательно (например, в случае установки насадных деталей).

Концентрация напряжений возникает и в поверхностном слое металла при контактном нагружении, когда сила действует на весьма ограниченном участке поверхности. Этот вид нагружения чаще всего встречается при соприкосновении сферических и цилиндрических тел с плоскими, сферическими или цилиндрическими поверхностями.

В зоне соприкосновения образуется плоская площадка, размеры которой зависят от упругости материала и формы сжимаемых тел.

Усталостное разрушение (питтинг), обусловленное периодически изменяющимися контактными напряжениями, сопровождается отслаиванием и выкрошиванием крупных частиц металла, в результате чего сочленение, как правило, выходит из строя. Характерным примером такого разрушения служит питтинг рабочих поверхностей зубьев зубчатых колес. Концентрация напряжений возникает на участках зубьев, близких к начальной окружности.

При конструировании сферических и цилиндрических сочленений, несущих высокие нагрузки, следует учесть, что соприкасающиеся детали должны быть закалены до твердости не ниже HRC60...62 и поверхностью, обработанной не ниже параметра шероховатости R_а0,080.

С целью уменьшения контактных напряжений в тех случаях, когда это допускают условия работы сочленения, детали, воспринимающие нагрузку, следует помещать в гнезда, имеющие диаметр, близкий к диаметру детали (D/d = 1,01...1,02).

Пример последовательного упрочнения сферического сочленения приведен на рис.6. Наиболее выгодна конструкция со сферой большого диаметра, расположенной в сферическом гнезде (рис.6, III).

Рис.6

Другим примером может служить сочленение двух рычагов при помощи цилиндрического пальца,закрепленного в одном из рычагов и скользящего в проушине другого. Конструкция на рис.7, I нерациональна, так как линейный контакт на поверхности трения приводит к быстрому изнашиванию поверхности проушины пальцем. В рациональной конструкции (рис.7, II) на палец надет сухарь, скользящий боковыми гранями в проушине рычага. Здесь контакт между пальцем и отверстием сухаря, а также между гранями сухаря и проушиной поверхностный, что резко повышает долговечность сочленения.

Рис.7

При конструировании машины, механизма конструктор всегда стремится соблюдать принцип равнопрочности.

Равнопрочными называются конструкции, детали которых имеют одинаковый запас прочности на всех участках по отношению к действующим на них нагрузкам.

Формы деталей, требуемые по условию равнопрочности, часто технологически трудно выполнимы, и поэтому их приходится упрощать. Кроме того, почти во всякой детали имеются такие дополнительные элементы, как цапфы, буртики, канавки, выточки, проточки, резьбы, вызывающие местное усиление, а чаще концентрацию напряжений и местное ослабление детали.

По всем этим причинам понятие равнопрочности деталей относительно. Конструирование равнопрочных деталей практически сводится к приблизительному воспроизведению форм, диктуемых условием равнопрочности, при всемерном уменьшении влияния всех источников местной концентрации напряжений.

На рис.8,I изображен фланцевый вал со шлицами. Участки A,B и C такого вала, нагруженного постоянным крутящим моментом, неравнопрочны. Наиболее значительны напряжения на участке А детали, где имеются шлицы. Менее значительны напряжения на участке С и еще меньше — на участке В между фланцем и шлицами, где толщина стенок полого вала достигает наибольшей величины. После расчета на постоянство момента сопротивления кручению на всех участках вала пришли к более равнопрочной конструкции (рис.8, II).

Рис.8

Большое значение для прочности деталей при прочих равных условиях имеет правильный выбор материала. По величине прочностных и деформационных характеристик судят о пригодности материала для тех или иных целей.

Одним из основных факторов, определяющих работоспособность конструкции и имеющих такое же, если не большее значение для надежности, как и прочность, является жесткость.

Жесткость — это способность детали или системы сопротивляться образованию деформации. Для машиностроения можно сформулировать следующее определение: жесткость — это способность изделия сопротивляться действию внешних нагрузок с деформациями, допустимыми без нарушения работоспособности изделия.

Жесткость оценивают коэффициентом жесткости ?_р, представляющим собой отношение силы F, приложенной к изделию, к максимальной деформации f, вызываемой этой силой.

Для простейшего случая растяжения — сжатия бруса постоянного сечения в пределах упругой деформации — коэффициент жесткости согласно закону Гука определяют по формуле ?_р = F/f = ES/l;

где: ?_р — коэффициент жесткости;

F — сила;

f — максимальная деформация;

Е — модуль нормальной упругости материала;

S — сечение бруса;

I — длина бруса.

На жесткость изделий сильно влияют размеры и форма сечений. В изделиях, состоящих из многих отдельных деталей, жесткость зависит также от жесткости сочленения отдельных деталей. Наличие зазоров в сопрягаемых деталях приводит к появлению деформаций, иногда во много раз превосходящих собственные упругие деформации элементов конструкции. В этом случае эффективными способами увеличения жесткости являются силовая затяжка сочленения, посадка с натягом, увеличение опорных поверхностей и придание деталям повышенной жесткости на участках сопряжения.

Для увеличения жесткости изделий применяют следующие основные способы:

всемерное устранение изгиба, как невыгодного по жесткости и прочности вида нагружения, замена его сжатием и растяжением;

целесообразную расстановку опор для деталей, работающих на изгиб, исключение невыгодных по жесткости видов нагружения;

рациональное, не сопровождающееся возрастанием массы усиление участков перехода от одного сечения к другому;

для деталей коробчатого типа — применение скорлупных, сводчатых, сферических и эллипсных форм.

Рассмотрим несколько примеров увеличения жесткости конструкций.

1. Сравним конструкции литых кронштейнов. Балочный кронштейн (рис.9,I) под воздействием внешних сил подвергается изгибу. Как известно, в случае изгиба нагружены преимущественно крайние волокна сечения. Предел нагружения наступает, когда напряжения в них достигают опасных значений, в то время как сердцевина остается недогруженной. Кронштейн ферменного типа (рис.9, II) несколько более жесток, чем предыдущий, но так как верхний горизонтальный стержень его для ограничения деформации не используется, то по жесткости он значительно уступает раскосному кронштейну (рис.9, III). В этом кронштейне условия работы стержней видоизменены, они работают преимущественно на растяжение — сжатие. При растяжении — сжатии напряжения одинаковы по всему сечению; материал используется полностью. Кроме того, при растяжении — сжатии величина нагрузки не зависит от длины детали, что имеет место в случае изгиба. Конструкция становится еще более прочной и жесткой, если стержни кронштейна соединить сплошной перемычкой (рис.9, IV).

Рис.9

Рис.10

2.На примере клеммового соединения видно, что в первой конструкции (рис.10, I) ушки клеммы при затяжке болтового соединения будут сгибаться, поэтому силовая затяжка невозможна. Если немного изменить конструкцию: усилить клемму, приблизить стяжной болт к валу — станет возможна силовая затяжка (рис.10, II). Это означает резкое повышение жесткости конструкции.

3. На рис.11 показан клапан двигателя внутреннего сгорания. В первом случае (рис.11, I) тарелка клапана конструктивно оформлена нежестко, так как слаба связь между штоком и тарелкой. Во втором случае (рис.11, II) тарелка имеет тюльпанообразную форму, что придает штоку и тарелке более массивную связь: на ободе тарелки образован пояс жесткости.

Рис. 11

4. Наибольшей продуманности с точки зрения обеспечения высокой жесткости требуют оболочковые конструкции (например, самолеты, ракеты и т. д.). Увеличение габаритов и уменьшение толщины стенок в них выдвигают на первый план задачу повышения радиальной жесткости и предупреждения потери устойчивости конструкций под действием нагрузок. Для придания деталям высокой жесткости применяют ребра различной конструктивной разновидности (рис. 12).

Рис.12

На рис. 13 показан корпус головной части ракеты с оребрением внутренней части.

Рис.13