Прочность, износостойкость, теплостойкость деталей машин. Виды расчета на прочность деталей машин

 

 

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический  университет»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

 по Основам проектирования и конструирования

на тему: «Прочность, износостойкость, теплостойкость

деталей машин. Виды расчета на прочность деталей 

машин»

 

 

                                                            

 

 

 

 

 

       

 

 

                                                                                       

 

 

 

 

Пермь, 2012г.

 

 

 

Введение     3  1.   Условия нормальной работы деталей машин                                                          3

1.2    Общие принципы прочностных расчётов      5

1.3    Износостойкость деталей машин         16

1.4   Теплостойкость деталей машин         17

Список литературы                                                                                                           18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

Введение

  Современное общество отличается от первобытного использованием машин. 
         Применение  предметов, усиливающих возможности рук (палки, камни), и особенно освоение дополнительных источников энергии (костёр, лошадь) не только позволило человечеству выжить, но и обеспечило в дальнейшем победу над превосходящими силами природы. 
         История использования машин начинается с глубокой древности. Известно применение пружин в луках для метания стрел, катков для перемещения тяжестей. 
        Такие простые детали машин, как металлические цапфы, примитивные зубчатые колеса, винты, кривошипы были известны до Архимеда (3-й век до новой эры). В эпоху возрождения Леонардо да Винчи (в 15 веке) создал новые механизмы: зубчатые колеса с перекрещивающимися осями, шарнирные цепи, подшипники качения. Уже тогда применялись канатные и ременные передачи, грузовые винты, шарнирные муфты. 
        Всерьёз говорить о применении машин можно лишь с эпохи промышленной революции XVIII века, когда изобретение паровой машины дало гигантский технологический рывок и сформировало современный мир в его нынешнем виде. Здесь важен энергетический аспект проблемы. 
        С тех же пор наметились основные закономерности устройства и функционирования механизмов и машин, сложились наиболее рациональные и удобные формы их составных частей - деталей. В процессе механизации производства и транспорта, по мере увеличения нагрузок и сложности конструкций, возросла потребность не только в интуитивном, но и в научном подходе к созданию и эксплуатации машин. 
         Проблемы прочности и износостойкости являются центральными в обеспечении надежности и ресурса в машиностроении. Поэтому необходимы глубокие знания в области современных методов расчетов на прочность, долговечность, износостойкость и надежность. В своей работе я затрону некоторые из этих факторов, расскажу о  прочности, износостойкости и теплостойкости деталей машин и приведу виды расчета на прочность. 

1.   Условия нормальной работы деталей машин 
Успешная работа деталей  и машин заключается в обеспечении надёжности и работоспособности при заданных нагрузках. 
     НАДЁЖНОСТЬЮ называют свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. 
        Особенностью проблемы надежности является ее связь со всеми жизненными циклами машины и их деталей, начиная с момента формирования заявки на разработку и заканчивая ее списанием. Каждый из жизненных циклов вносит свою лепту в решение надежности передачи. 
        Надежность изделия закладывается на стадии их проектирования. Она зависит от применения современных методов расчета и проектирования, основанных на теории вероятности и математической статистики с применением ЭВМ и САПР, конструкции  составных  частей передачи, материалов деталей и методов их упрочнения, способов защиты от внешней среды, системы смазки, приспособленности к сохранности и проведению ТО. 
      Надежность обеспечивают в процессе изготовления деталей и их сборки за счет достижения необходимой точности размеров, применения прогрессивных упрочняющих технологий и технологических мероприятий, направленных на обеспечения технических требований. 
      Надежность характеризуется следующими состояниями: работоспособное, исправное и неисправное. 
      РАБОТОСПОСОБНОСТЬ – это состояние объекта, при котором значение всех параметров выполняемых функции, соответствуют требованиям нормативно-технической или конструкторской документации. Оценочными качественными показателями работоспособности являются: прочность,  износостойкость, теплоустойчивость. 
      Прочность – это способность деталей машин выполнять свои функции в пределах предусмотренных нагрузок без пластических деформации и разрушения. Различают статическую и усталостную прочность деталей. Нарушение статической прочности происходит тогда, когда величина рабочих напряжений превышает предел статической прочности материала. Обычно это связано с перегрузками. Усталостные поломки детали вызываются длительным действием переменных напряжений, величина которых превышает характеристики усталостной прочности материала. 
       ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ – способность сохранять первоначальную форму своей поверхности, сопротивляясь износу; 
      ТЕПЛОСТОЙКОСТЬ – способность сохранять свои свойства при действии высоких температур; 
      При всей  значимости всех описанных критериев, нетрудно заметить, что ПРОЧНОСТЬ ЯВЛЯЕТСЯ ВАЖНЕЙШИМ КРИТЕРИЕМ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И НАДЁЖНОСТИ. 
      Невыполнение условия прочности автоматически делает бессмысленными все другие требования и критерии качества машин. 

1.2.Общие принципы прочностных расчётов 
      Все этапы проектирования, каждый шаг конструктора сопровождается расчётами. Это естественно, т.к. грамотно выполненный расчёт намного проще и в сотни раз  дешевле экспериментальных испытаний. 
     Чаще всего конструктор имеет дело с расчётами  на прочность. Оценка прочности элементов конструкции начинается с выбора модели (расчетной схемы). Моделью называют совокупность представлений,  условий и зависимостей, описывающих объект расчета. При выборе модели учитывают наиболее значимые и отбрасывают несущественные факторы, которые не оказывают достаточно заметного влияния на условия  функционирования элемента конструкции. 
      Для одной и той же детали может быть предложено несколько моделей расчета, которые будут отличаться глубиной описания реального объекта и условий его работы. 
       В расчетах прочности материал детали представляют однородной сплошной средой, что позволяет рассматривать тело как непрерывную среду и применять методы математического анализа. 
       Под однородностью понимают независимость его свойств от размеров выделяемого объема. Такая схематизация основана на осреднении свойств материала в объеме и подтверждена многочисленными экспериментальными исследованиями. 
       Расчетная модель материала наделяется такими физическими свойствами, как упругость, пластичность и ползучесть. 
       Упругостью называют свойство тела восстанавливать свою форму после снятия внешней нагрузки. 
      Пластичностью называют свойство тела сохранять после нагрузки полностью или частично деформацию, полученную при нагружении. 
      Ползучестью называют свойство тела увеличивать со временем деформацию под действием постоянных внешних сил. 
      Различают проектировочные и проверочные расчёты. 
      Проектировочный расчёт выполняется, когда по ожидаемым нагрузкам, с учётом свойств материала определяются геометрические параметры деталей. 
      Проверочный расчёт выполняют, когда известна вся "геометрия" детали и максимальные нагрузки, а с учётом свойств материала определяются максимальные напряжения, которые должны быть меньше допускаемых. 
      Несмотря на такие "провокационные" названия, следует помнить, что  оба этих вида расчётов всегда сопутствуют друг другу и  выполняются на стадии проектирования деталей и машин. 
      Математическая  формулировка условия прочности любой детали очень проста: 
 
 
 
где   и    — наибольшие расчётные нормальное и касательное напряжения, соответственно; 
 
  и    — допускаемые нормальное и касательное напряжения, безопасные для прочности детали. 
        Кроме обычных видов разрушения деталей (поломок), наблюдаются случаи, когда под действием нагрузок, прижимающих две детали одну к другой, возникают местные напряжения и деформации. Разрушения деталей в этом случае вызывают контактные напряжения. Контактные напряжения возникают при взаимном нажатии двух соприкасающихся тел, когда их первоначальный контакт был в точке или по линии (сжатие двух шаров, двух цилиндров и т.п.). Эти напряжения имеют местный характер и весьма быстро убывают по мере удаления от зоны соприкосновения тел, поэтому они не влияют на общую прочность. Однако надежность ряда деталей, например подшипников, зубчатых колес, элементов кулачковых механизмов, определяется, как правило, не общей их прочностью, а прочностью рабочих поверхностей. Если величина контактных напряжений больше допускаемой, то на поверхности деталей появляются вмятины, бороздки, трещины, мелкие раковины. Подобные повреждения наблюдаются, например, у фрикционных, зубчатых, червячных и цепных передач,

также в подшипниках качения.

 

         Контактные напряжения определяют методами теории упругости при следующих допущениях: а) в зоне контакта возникают только упругие деформации; б) линейные размеры площадки контакта малы по сравнению с радиусами кривизны соприкасающихся поверхностей; в) силы давления, распределенные по поверхности контакта, нормальны к этим поверхностям. При этих допущениях контур поверхности контакта в общем случае представляет собой эллипс, давления по площадке контакта распределяются по закону поверхности эллипсоида, а максимальное давление действует в центре площадки контакта  
        Если мысленно выделить бесконечно малый параллелепипед в окрестности некоторой точки, как показано на рис.1, б, то заметим, что давление р, действующее на верхнюю грань параллелепипеда, должно вызвать деформации во всех направлениях. Но этим деформациям препятствует материал тела, окружающий мысленно выделенный параллелепипед, и, следовательно, на его гранях возникают напряжения сжатия, т.е. выделенный элемент находится в состояний трехосного сжатия. Наибольшее (по абсолютной величине) главное напряжение равно максимальному контактному давлению. 
        Поскольку оценку прочности ведут по этому напряжению, то его принято называть контактным напряжением и обозначать , (основоположником теории контактных напряжений является Н. Herz, в честь которого приписывают индекс Н контактным напряжениям). 
        Приведем без вывода расчетные формулы для определения контактных напряжений, обычно называемые формулами Герца. В случае первоначального контакта по линии (два цилиндра с параллельными осями, цилиндр и плоскость) 1.      2.           3.                    
где Епр и Рпр — приведенные модуль упругости и радиус кривизны; Е1, Е2 — модули упругости цилиндров;  ,   — радиусы кривизны в точках контакта. При контакте цилиндра с плоскостью   . Знак минус в формуле (3) принимают в случае, когда поверхность одного из цилиндров вогнутая (внутренний контакт). В случае первоначального контакта в точке (два шара, шар и плоскость)    4.                                              
где Епр и  Рпр— приведенные модуль упругости и радиус кривизны, которые соответственно определяются по (2) и (3). 
      На основании формул для определения нетрудно установить, что контактные напряжения не являются линейной функцией нагрузки, с ростом сил они возрастают все медленнее. Это объясняется тем, что с увеличением нагрузки увеличивается и площадка контакта. 
      Tpeщины, как правило, начинаются с поверхности, поэтому оценку контактной прочности ведут по максимальным контактным напряжениям.  5.                                                      
         Допускаемое контактное напряжение устанавливают на основе экспериментальных исследований контактной прочности и опыта эксплуатации машин и сооружений. Допускаемое контактное напряжение, обозначаемое по международному стандарту  в основном зависит от твердости соприкасающихся поверхностей и от характера изменений контактных напряжений во времени. При вращении цилиндров (или шаров) под нагрузкой отдельные точки их поверхностей периодически нагружаются, а контактные напряжения в этих точках изменяются по отнулевому циклу (рис.2). Каждая точка нагружается только в период прохождения зоны контакта и свободна от напряжений в остальное время оборота цилиндра. 
        Переменные контактные напряжения вызывают усталость поверхностных слоев деталей. На поверхности образуются микротрещины с последующим выкрашиванием мелких частиц металла. Если детали работают в масле, оно проникает в микротрещины (рис.4, а). Попадая в зону в зону контакта (рис.4, б), трещина закрывается, находящаяся внутри трещины масло сжимается в замкнутом пространстве, и в нем создается высокое давление, распирающее стенки трещины. При повторных нагружениях трещина все более увеличивается, отделяемая ею частица металла откалывается от поверхности, образуя раковину (рис. 4, в).    Экспериментальные кривые, характеризующие стойкость материала в отношении усталостного выкрашивания, построенные в координатах контактное напряжение – число циклов нагружений (см. рис.3), подобны обычным кривым выносливости Вёлера. 
 

         Базовому числу циклов   соответствует предел выносливости  , величина которого в основном зависит от твердости материала. По пределу выносливости определяют допускаемое напряжение, исключающее усталостное выкрашивание рабочих поверхностей. 
        При отсутствии смазки характер разрушения поверхностных слоев изменяется: трещины не успевают развиться в раковину, поскольку поверхностный слой, в котором возникают первичные трещины, истирается раньше. 
        Всегда, везде, при любых обстоятельствах конструктор обязан учитывать и обеспечивать такие условия работы, чтобы напряжения в материале деталей  не превышали допускаемых. 
        В качестве допускаемых нельзя назначать предельные напряжения, при которых наступает разрушение материала. 
        Разница между допускаемыми и предельными напряжениями похожа на разницу между  краем  платформы метро и «белой линией», проведённой примерно в полуметре перед краем. Переход через «белую линию» грозит замечанием от дежурного, а стояние на краю – гибелью. 
        Допускаемые напряжения следует принимать меньше предельных, "с запасом": 
 
 
 
 
 
где   и   - предельные напряжения;   -   коэффициент запаса прочности (обычно  1,2 <  < 2,5) . 
        В качестве предельного напряжения принимают одну из следующих механических характеристик материала: 
- предел текучести (физический или условный) — при статическом нагружении детали из пластичного или хрупкопластичного материала; 
- временное сопротивление — при статическом нагружении детали из хрупкого материала; 
- предел выносливости — при возникновении в детали напряжений, переменных во времени. 
         Для деталей машин широко распространены расчеты не по допускаемым напряжениям, а по коэффициентам запаса прочности. Взамен условия прочности используют тождественные ему условия: 
 
 
 
 
где n — действительный (расчетный) коэффициент запаса прочности;  ,   — расчетные нормальное и касательное напряжения. 
        В разных обстоятельствах коэффициент запаса может быть либо задан заказчиком, либо выбран из справочных нормативов, либо вычислен с учётом точности определения

нагрузок, однородности материала и специфических требований к надёжности машин. 
        Для выбора допускаемых напряжений и коэффициентов запаса прочности в машиностроении принимают следующие два метода: 
- табличный - допускаемые напряжения и коэффициенты запаса прочности выбирают по специальным таблицам (см., например, табл. 1). Этот метод менее точен, так как не учитывается ответственность детали, точность определения нагрузок и другие важные факторы, но он удобен для практического пользования; 
 
- дифференциальный - допускаемое напряжение или допускаемый коэффициент запаса прочности определяют по соответствующей формуле, которая учитывает различные факторы, влияющие на прочность рассчитываемой детали. 
 
Таблица 1. Ориентировочные значения допускаемых коэффициентов запаса прочности