5. 1 Требования к машинам и критерии их качества

Качество – совокупность свойств продукции, обуславливающих ее пригодность удовлетворять потребности в соответствии с ее назначением.

Качество закладывается на стадии проектирования, обеспечивается на стадии производства и поддерживается в процессе эксплуатации.

Степень соответствия требованиям характеризуют критерии качества (греч. "крит эрион" – узкое место) – некие конкретные параметры (греч. "пара мэтрос" – измеряемый), т.е. измеряемые или вычисляемые величины.

Основные показатели качества.

• Показатели назначения.

• Показатели надежности – долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость.

• Показатели технологичности – возможность воспроизведения изделия в производстве.

• Показатели стандартизации и унификации.

• Показатели эстетические, эргономические.

• Показатели патентно-правовые.

• Показатели безопасности труда.

Основными критериями качества машин считают:

Мощность – скорость преобразования энергии;

Производительность – объём работы (продукции, информации), выполняемой в единицу времени;

Коэффициент полезного действия – доля дошедшей до потребителя энергии (мощности);

Габариты – предельные размеры;

Энергоёмкость - расход топлива или электричества отнесённый к объёму работы (пройденному расстоянию, произведённой продукции);

Материалоёмкость – количество конструкционного материала машины, обычно отнесённого к единице мощности;

Точность – способность максимально соответствовать заданному положению (скорости и т.п.);

Плавность хода – минимальные ускорения при работе машины.

Однако известно, что полное удовлетворение всех требований – абсолютно невыполнимая задача, поэтому всегда приходится идти на компромисс, обозначая главные требования и обеспечивая соответствующие им критерии качества. Отметим поэтому лишь основные требования к деталям и машинам.

Требования к машинам многообразны и часто противоречивы, однако их можно условно классифицировать следующим образом (Рис. 5.1): Рис. 5.1. Классификация требований, предъявляемых к изделиям

Эксплуатационные требования

Эксплуатационные требования, в свою очередь, классифицируются

следующим образом (Рис.5.2):

Рис. 5.2. Классификация эксплуатационных требований

Соответствие целевому назначению. Целевое назначение изделия и объем выполняемых им функций определяется при проектировании с учетом требований наименьшей стоимости и экономичности при эксплуатации. В изделии не должно быть неиспользуемых или редко используемых органов.

Прочность и жесткость всего изделия определяется прочностью и жесткостью его отдельных деталей.

Прочность детали характеризуется рабочим напряжением, возникающим в материале детали при действии нагрузки. Рабочее напряжение не должно превышать допускаемое. Условие прочности имеет вид:

_доп ,

где P − нагрузка, F − площадь.

При этом силу Р (Н), которую может выдержать металл, называют разрывной, а прочность при этой силе будет предельной, ее и называют пределом прочности _доп, [Н/м²], эта величина определяется по справочникам. Величина предела прочности отличается в зависимости от условий нагружения (растяжение, сжатие, изгиб и т.д.) Например, для легированных сталей предел прочности при растяжении составляет 900 -1000 МПа, для дюралюминия – 400-450, для бронз – 340-450.

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.

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:

  [],   [] .

НАПРЯЖЕНИЯ В МАТЕРИАЛЕ ДЕТАЛИ

ДОЛЖНЫ БЫТЬ МЕНЬШЕ ДОПУСТИМЫХ

Или, говоря техническим языком:

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.

Допускаемые напряжения следует принимать меньше предельных, "с запасом": [σ] = σ_{предельное} / n,

где n - коэффициент запаса (обычно 1,2  n  2,5) .

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.

Выполнение всех видов прочностных расчётов для каждой детали займёт очень много времени. Поэтому инженер должен сначала изучить опыт эксплуатации подобных изделий.

В расчётах не следует гнаться за "абсолютной" точностью и использовать сложные "многоэтажные" формулы. Обширный опыт инженеров-расчётчиков показывает, что усложнение методик расчёта не даёт новых результатов.

Крупнейший советский специалист по прочностным расчётам деталей машин И.А. Биргер заметил, что в технических расчётах "всё нужное является простым, а всё сложное – ненужным".

В расчётах необходимо стремиться к корректным упрощениям.

Жесткость детали характеризуется величиной деформации детали под действием нагрузки. Если деформируются ось или вал, то их жесткость характеризуется стрелой прогиба (Рис. 5.3).

Рис. 5.3. Схемы стрелы прогиба для вала и оси

Условие жесткости записывается в виде выражения:

f ≤ f max

Износоустойчивость и долговечность. Оба эти качества характеризуют надежность изделия при эксплуатации, увеличивая или сокращая срок его службы. Пренебрежение этими требованиями приводит к тому, что на ремонт изделия, находящегося в эксплуатации, затрачивается средств больше, чем на изготовление нового такого же изделия.

Защита от перегрузки. Изделие в процессе работы может испытывать дополнительные нагрузки на отдельные звенья. При этом напряжение в материале этих звеньев может превысить допускаемое. В итоге возможна поломка звеньев. Конструктор обязан учесть эти обстоятельства и предусматривать предохранительные устройства.

Надежность при эксплуатации – это работа изделия без перебоев, неполадок и аварий в течение длительного времени. Надежность достигается правильным решением вопросов при проектировании изделия, связанных с прочностью, жесткостью, а иногда и виброустойчивостью.

Надежность.

Надёжность определяется как свойство детали и машины выполнять свои функции, сохраняя заданные показатели в течение заданного времени и, по существу, выражает собой перспективы сохранения работоспособности.

В процессе работы детали и машины подвергаются не только расчётным нагрузкам, которые конструктор ожидает и учитывает, но и попадают во внештатные ситуации, которые очень трудно предусмотреть, как, например, удары, вибрация, загрязнение, экстремальные природные условия и т.п. При этом возникает отказ – утрата работоспособности вследствие разрушения деталей или нарушения их правильного взаимодействия. Отказы бывают полные и частичные; внезапные (поломки) и постепенные (износ, коррозия); опасные для жизни; тяжёлые и лёгкие; устранимые и неустранимые; приработочные (возникают в начале эксплуатации) и связанные с наличием дефектных деталей; отказы по причине износа, усталости и старения материалов.

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.

Действительно, немногого стоит технологичная, жёсткая, износостойкая, теплостойкая, виброустойчивая, дешевая в эксплуатации, ремонтопригодная конструкция самого передового дизайна, если она сломалась при первой же нагрузке!

Остановимся на физической сущности надежности изделий более подробно.

Свойства материалов изменяются не только со временем работы изделия, но и в зависимости от условий, в которых приходится работать изделию.

Материал изменяет свои свойства, как во время работы изделия, так и находясь в состоянии хранения или резерва. На материал воздействуют атмосфера, собственный вес, различного рода агрессивные примеси. Со временем происходит изменение молекулярной структуры материала. В механических системах дополнительное влияние оказывают и микроскопические трещины материала. Эти трещины под действием механических, тепловых, электрических и иных усилий развиваются и могут привести к остановке изделия.

Даже самые совершенные проектные технические характеристики изделия – это необходимое, но еще недостаточное условие высокого качества этого изделия. Все проектные характеристики и параметры изделия – это лишь его технические возможности.

Надежность изделия определяется его способностью сохранять свои проектные характеристики во времени, в процессе эксплуатации. В этом и состоит физическая сущность надежности изделия.

Надежность любого технического средства зависит не только от качества выполнения его узлов и деталей, но и от их количества.

До сравнительно недавнего времени надежность изделия лишь подразумевалась, но не поддавалась количественному расчету ее параметров. Срабатывали лишь интуиция конструктора и технолога. О действительной надежности изделия узнавали только после начала его эксплуатации.

В настоящее время понятие «надежность» устанавливается ГОСТом 1337-67 «НАДЕЖНОСТЬ В ТЕХНИКЕ. ТЕРМИНЫ». В соответствии с ГОСТом надежность определяется, как свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки.

В это определение надежности входят три важных элемента:

- выполнение изделием заданных функций;

- время, в течение которого должно быть обеспечено выполнение этих функций;

- условия эксплуатации, в которых может быть обеспечено выполнение этих функций.

Основными свойствами, характеризующими надежность, являются:

- безотказность – свойство изделия сохранять работоспособность в течение некоторой наработки без вынужденных перерывов;

- долговечность – свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта;

- условия эксплуатации изделия.

Надёжной можно считать машину, имеющую следующие свойства.

• Безотказность – способность сохранять свои эксплуатационные показатели в течение заданной наработки без вынужденных перерывов.

• Долговечность – способность сохранять заданные показатели до предельного состояния с необходимыми перерывами для ремонтов и технического обслуживания.

• Ремонтопригодность – приспособленность изделия к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей посредством техобслуживания и ремонта.

• Сохраняемость – способность сохранять требуемые эксплуатационные показатели после установленного срока хранения и транспортирования.

• Отказ – событие, которое заключается в утрате работоспособности.

В зависимости от назначения изделий на первый план при оценке их надежности выдвигается либо безотказность (например, детали самолета), либо долговечность (например, детали рабочих машин).

С точки зрения требований надежности, считается, что любое изделие может находиться в одном из трех состояний:

- быть работоспособным;

- быть неработоспособным;

- быть в предельном состоянии.

Работоспособное изделие соответствует требованиям нормативно технической документации и способно выполнять заданные функции.

Неработоспособное изделие – это состояние изделия, при котором тот или иной его параметр не удовлетворяет хотя бы одному из заданных требований.

Отказ является основным понятием науки о надежности. Правильное понимание сущности отказов, их причин, возможных последствий и способов борьбы с ними является главным условием для решения всех практических вопросов по обеспечению надежности.

Отказы элементов изделий происходят мгновенно и постепенно.

Мгновенные отказы чаще всего проявляются в виде поломок деталей. Мгновенная потеря работоспособности является устранимой путем улучшения конструкции изделия, повышения качества изготовления, соблюдения правил технической эксплуатации.

Постепенная потеря работоспособности изделий происходит в результате их внутреннего или внешнего изнашивания.

Внутренний износ – это результат накопления усталостных повреждений материала деталей, приводящих к образованию усталостных трещин.

Внешний износ – это результат действия сил трения, а также внешней среды. Внешний износ проявляется в виде изменения зазоров в сопряжениях, в виде изменения структуры и качества поверхностей трения, коррозии деталей и других повреждений.

Таким образом, износ – это сопровождающий трение процесс. Износ можно подразделить на:

- абсолютный износ – это износ, выраженный в единицах длины, объема или веса;

- линейный износ – это износ, определяемый изменением размера по нормали к поверхности трения;

- объемный износ – износ, определяемый изменением объема;

- весовой износ – износ определяемый изменением веса;

- местный износ – линейный износ на отдельном участке поверхности трения.

Имеют место понятия «Интенсивность износа», «Скорость износа», «Износостойкость».

Интенсивность износа - есть отношение абсолютного износа детали к пройденному пути трения.

Для измерения интенсивности износа может иметь место другой критерий: для автомобилей – количество километров пробега, для тракторов – количество гектаров пахоты.

Скорость износа – это отношение абсолютного износа детали ко времени, в течение которого происходило испытание на износ.

Предельное состояние объекта – это такое состояние, при котором его дальнейшее использование по назначению недопустимо или нецелесообразно. После наступления предельного состояния изделие можно списать или направить в капитальный ремонт. Предельное состояние может наступить в результате физического или морального изнашивания изделия.

Социальные требования

Социальные требования можно классифицировать следующим образом (Рис. 5.4):

Рис. 5.4. Классификация социальных требований

Безопасность обслуживания – это ограждение открытых движущихся частей изделия, применение блокировочных устройств.

Удобство обслуживания – это простота и удобство управления изделий без значительных затрат физического труда.

Условия обслуживания – это такая обстановка на производстве, которая способствует повышению технического уровня работающих и удовлетворению их культурных и эстетических потребностей.

Пропорциональность частей и плавность очертаний изделия, его должная отделка и окраска, уверенность рабочего в безопасности работы, возможность снижения внимания при обслуживании изделия – все это улучшает условия труда и способствует повышению его производительности.