Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Конструирование деталей машин. Критериальные требования к деталям машин.

Все изделия машиностроительных предприятий - различные технические средства, отдельные агрегаты, механизмы, приборы и другие конструкции - состоят из деталей. При этом деталь определяют как элемент конструкции, изготовленный из материала одной марки без использование сборочных операций (например, деталями являются болт, гайка, шайба и др.)..

Совокупность деталей, соединенных на предприятии-производителе с использованием сборочных операций (сваркой, свинчиванием, клепкой, пайкой и др.). с обеспечением определенной совместной работы, называется сборной единицей (например, шатун тепловозного дизеля, подшипники качения и скольжения, насосы, компрессоры, редукторы и др.)..

В инженерной практике достаточно широко используются понятия "комплексы" и "комплекты", под которыми понимают совокупности сборных единиц, изготовленных на предприятии и обеспечивают выполнение определенных функций в составе соответствующей конструкции после сборки его на городе назначения (например, насосные станции, дизель-генераторные станции, автоматизированные станочные линии, комплекты запасных частей и др.)..

Следует иметь в виду, что основой разработки различных конструкций современных технических средств является использование в основном (за исключением специальных) одинаковых деталей и сборочных единиц - типичных, нормальных и стандартных: разъемные и неразъемные соединения деталей, механические передачи, валы, опоры, уплотнения, муфты и др.. Это определило необходимость выделения их классификационных групп, разработка соответствующих инженерных методов для их расчетов и конструирования.

Ниже рассмотрены основные критериальные требования к деталям машин, приведены сведения, конструкционные материалы и технические условия для их изготовления, освещены общие подходы к их расчетам при конструировании.

Критериальные требования к деталям машин определяются соответствующими требованиями к техническим средствам, в конструкции которых они используются. К основным из них относятся: работоспособность, надежность, технологичность, экономичность, а также эстетичность и экологичность.

Под работоспособностью понимают такое состояние ТС, при котором он способен выполнять заданные функции (функционировать), сохраняя значения основных параметров в пределах, установленных соответствующими нормативными документами.

Основными критериями работоспособности ТС и его деталей являются: прочность, жесткость, устойчивость, виброустойчивость, теплостойкость, устойчивость против коррозии и старения.

Из перечисленных критериев главным является прочность - способность деталей, элементов конструкции ТС не разрушаться при действующих (В определенных пределах) нагрузках.

Во многих случаях нарушения требований работоспособности при эксплуатации ТС обусловливается чрезмерными упругими деформациями сопрягаемых деталей вследствие их недостаточной жесткости, под которой понимают способность деталей сопротивляться деформациям (изменению формы и размеров) под действием нагрузок. Поэтому для ряда деталей (например, длинные валы, оси и др.). Одним из основных видов проектных расчетов являются расчеты на жесткость.

Целый ряд ответственных деталей ТС (например, штанги механизма привода клапанов тепловозного дизеля, элементы конструкций мостов, эстакад, ферменных конструкций) выполняется в виде длинных и относительно тонких брусков (стержней), на которые действуют продольные сжимающие нагрузки.

Важнейшим требованием сохранения их работоспособности является обеспечение в процессе эксплуатации их устойчивости - способности сохранять первоначальную (прямолинейную) форму равновесия (Избегать внезапного перехода к криволинейной формы равновесия в виде выпячивания под действием даже незначительных поперечных нагрузок).

Увеличение скоростей движения транспортных ТС, их деталей при соответствующем этой тенденции снижении массы конструкции, как правило, приводит к повышению уровня виброактивности (проявления механических колебаний в движущихся системах) современных ТС. Это свидетельствует о существенной роли в обеспечении работоспособности виброустойчивости ТС - способности работать на эксплуатационных режимах без недопустимых уровней вибро-ций. Важность этого критерия определяется и тем, что наряду с вредными техническими проявлениями (нарушение заданных законов движения деталей, дополнительные инерционные нагрузки, проблема "отстройка" от резонанса) вибрации представляют опасность и для человека (притупление зрения, слуха, анемия конечностей, нарушение биохимического состава крови вследствие разрушения кровоутворюючои системы).

Поэтому для обеспечения виброустойчивости большинства транспортных ТС используются современные виброзащитные системы, подбор (проектирование) которых осуществляется при разработке ТЗ по результатам соответствующих расчетов параметров вынужденных колебаний системы.

Выполнения требований работоспособности ТС неразрывно связано с обеспечением износостойкости - опору его деталей, всех элементов конструкции, контактирующих подвижно, износу (разрушению поверхностных слоев при трении, постепенном изменении размеров, формы, массы и состояния поверхностей, контактирующих). Результатом (количественной оценкой) процесса изнашивания является износ.

В общем плане проектировочные расчеты деталей ТС на износ ориентированы либо на определение условий трения с наличием смазочного материала (например, гидродинамический расчет подшипников скольжения), либо на выявление для конкретных узлов трения допустимых нагрузок (например, при проектировании подшипников скольжения контроль величины среднего давления на вкладыш, ограничения нагрева и износа по величине удельной работы трения).

Работоспособность многих ТС значительной мере зависит от степени удовлетворение критерия теплостойкости - способности деталей сохранять работоспособность в заданных пределах изменения температурного режима, обусловленного рабочим процессом (характерно для двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных двигателей, газотурбинных и паротурбинных установок, электрических машин, литейных машин и др.). и проявлением трения в его механизмах и узлах. Это связано с тем, что чрезмерное нагревание деталей может вызвать снижение прочности материала, появление дополнительных деформаций и напряжений, нарушение нормальных условий смазывания (повышенный износ), изменение зазоров в сопряженных деталях (например, значительное уменьшение зазора между поршнем и гильзой цилиндра тепловозного дизеля может привести к аварийному износа - задира).

Поэтому для обеспечения нормальных тепловых режимов работы ТС в эксплуатации при его проектировании в ряде случаев выполняют специальные расчеты. Расчеты, направленные на обеспечение и контроль работоспособности ТС, выполняются с нарастающей точностью на всех основных этапах проектирования, в процессе детальной проработки его конструкции.

Важнейшей критериальной требованием к новому ТС является его надежность - свойство ТС выполнять заданные функции (хранить работоспособность) необходимое время (или необходимого наработки - моточасов для двигателя, километража пробега для автомобиля и др.).

Для разных ТС, условий их эксплуатации надежность может включать в себя такие понятия, как безмолвие, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость.

Для непредназначенных к длительному сохранению ТЗ надежность определяется безотказностью - хранением работоспособности в течение заданного времени.

Для многих ТС важнейшая роль отводится их долговечности - сохранению работоспособности до предельного состояния (при которой дальнейшая эксплуатация либо невозможна, либо нецелесообразна) при соответствующих системах технического обслуживания и ремонта.

Одной из главных эксплуатационных требований является ремонтопригодность - приспособленность ТС до восстановления трудоспособности на основе предупреждения отказов, выявление и устранение неисправностей при техническом обслуживании и ремонте (Выход какой-то детали из строя должен исправляться при ремонте с обеспечением дальнейшей эксплуатации ТС). Характерной требованием к ТЗ длительного хранения является сохранность - обеспечение работоспособности в течение и после установленных сроков хранения и транспортировки.

При решении технико-экономических задач в качестве показателя для оценки надежности функционирования ТС широко применяется вероятность безотказной работы - вероятность того, что в заданном интервале времени (в пределах заданного наработки) не возникнет отказа ТС.

Если общее количество одинаковых ТС, подлежащих испытаниям в течение заданного интервала времени t, обозначить через N, а количество ТС, снятых с испытаний через отказы, - через N(t), то значенне P(t) рассмотренных ТС можно определить по формуле

P(t)=1-N(t)/N

Например, если в течение заданного времени наработки проведены испытания N=1000 тяговых электродвигателей локомотивов и 50 из них были сняты с испытаний из-за отказов, то вероятность безотказной работы ТС составит P(t)=0,95.

Следует отметить, что надежность сложных технических систем зависит не только от надежности ее элементов, а и от характера их взаимных связей. Покажем это на примере определения вероятности безотказной работы механических систем, образованных последовательным и параллельным соединением соответствующих структурных элементов.

Если система состоит из n последовательно соединенных элементов с вероятностями безотказной работы (отказа в ней независимы и каждый приводит к отказу всей системы), то вероятность безотказной работы такой системы определяется по формуле

Как видно из приведенной формулы, вероятность будет уменьшаться с увеличением количества элементов системы, а также будет всегда ниже соответствующего значения .

При параллельном соединении элементов (в отличие от пре-него варианта) полный отказ системы наступает в случае отказа всех элементов. При этом общая вероятность определяется по формуле

В этом случае будет выше и вероятность безотказной работы системы с параллельным соединением элементов будет выше в сравнению с системой, которая предусматривает последовательное соединение стекла-довых.

Все большее распространение в инженерной практике получают методы оценки надежности деталей при проектировании машин, которые базируются на использовании аппарата теории вероятностей. Основательное высветит-ления этих методов, а также примеры их практического применения приведены в учебниках.

Технологичность деталей и сборочных единиц характеризуется минимальными затратами средств, времени и труда при их производстве, эксплуатации и ремонте.

К основным направлениям обеспечения технологичности деталей следует отнести: очерчивание при конструировании форм деталей простыми поверхностями (цилиндрическими, коническими и проч.), наиболее удобными для обработки механическими и физическими методами; использование для изготовления деталей конс-трукцийних материалов, обеспечивающих использование малоотходных и ресурсосберегающих технологий обработки (давлением, точные литейные, лазерные, взрывом, сваркой и проч.) рациональное использование системы допусков и посадок, обоснованное задание технических условий на изготовление деталей.

При проектировании и конструировании ТС одну из главных ролей играет обеспечение его экономичности - достижение высокой экономической эффективности, которая формируется при его проектировании, производстве и эксплуатации. Поэтому проектирование нового ТС должно быть экономически направленным - учитывать весь комплекс факторов, определяющих экономическую эффективность ТС, правильно оценивать их удельный вес. Такое проектирование базируется на технико-экономическом анализе, который предполагает сравнение различных вариантов проектно-конструкционных решений не только с чисто технической, но и с экономической стороны.

Для технико-экономического анализа необходимо проводить технико-экономические расчеты (ТЭР), в которых, кроме технических, участвуют и экономические категории (такие, как затраты материалов, энергии, труда и других ресурсов). Это объясняется тем, что взятые отдельно технические критерии (например, критерии работоспособности), как правило, не могут определить конструкцию деталей, узлов и агрегатов ТС, обеспечивающая его высокую экономическую эффективность.

Иллюстрацией этому является приведенный ниже пример конструирования ТС только на основе критерия прочности.

Согласно такому подходу в упрощенном представлении возможны два варианта конструкции ТС.

Первый вариант характеризуется конструированием всех деталей с наибольшими коэффициентами запаса прочности в целях создания ТС с небольшими эксплуатационными затратами (ориентированный на обеспечение работоспособности, надежности даже в напряженных условиях эксплуатации, технического обслуживания и ремонтов). В результате конструкция ТС характеризуется увеличенными расходами в производстве, внушительными габаритами и весом.

Второй вариант диаметрально противоположен первому. Конструирование ТС выполняется с наименьшими предельными коэффициентами запаса прочности в расчете на то, что в эксплуатации не будет нарушений (увеличение) заданных начальных условиях (например, уровней нагрузок, скоростей, рабочих параметров). При таком варианте конструкции ТС уменьшаются затраты в производстве, его габариты, вес, но увеличиваются эксплуатационные расходы, определяется необходимостью поддержания работоспособности, надежности ТС в реальных условиях эксплуатации (ликвидацией отказов, поломок, которые будут иметь место при увеличении нагрузок, и др.)..

С позиций экономически направленного проектирования (по результатам технико-экономического анализа и ТЭР), вариантом с более высокой экономической эффективностью мог бы быть вариант конструкции ТС, близкий ко второму варианту, но дополнен автоматизированной системой защиты ТЗ на случай нарушения условий нормальной эксплуатации. При этом обеспечивается низкий уровень расходов как в производстве, так и в эксплуатации ТС.

Следует подчеркнуть, что ТЭР выполняются на всех стадиях проектирования ТС с нарастающей точностью. Их сущность заключается в том, что они направлены на поиск наиболее рационального варианта конструкции ТС по показателям технического уровня и экономической эффективности с учетом особенностей производства и эксплуатации.

Основным количественным показателем экономической эффективности, который рассматривается на конечных стадиях проектирования, является годовой экономический эффект от производства и эксплуатации нового ТС длительного применения (электрическая станция, транспортная энергетическая установка, транспортные средства и др.). с улучшенными качественными характеристиками.

Обобщенная формула для его определения имеет вид

где Eв, Ее - Соответственно экономии, получаемых при производстве и эксплуатации нового ТС по сравнению с тем, на замену которому он предназначен;

Aв - Годовой объем производства нового ТС.

Для расчета значений Eв и Ее технического средства, проектируется, следует использовать соответствующие существующие отраслевые методики.

В завершение следует отметить, что совершенство и привлекательность форм, внешнего вида деталей, сборочных единиц и ТС в целом определяют уровень его эстетичности, а отсутствие вредных проявлений к внешней среде, природы и человека - уровень экологичности.

  • Категории раздела:
  •      Другое
  • Смотрите также:
  •  



    Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору! 
    Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник
    Яндекс.Метрика