Лекция № 3

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ДЕТАЛЯМ,

УЗЛАМ И МЕХАНИЗМАМ

План лекции

1. Факторы, влияющие на работоспособность деталей.

2. Основные требования к деталям, узлам и механизмам

3. Основные критерии работоспособности деталей машин.

Факторы, влияющие на работоспособность деталей

Условия эксплуатации. Требования к объектам оп­ределяются условиями их эксплуатации и обслуживания. В первую очередь следует выделить две основные группы воз­действия на технические объекты: механические и климати­ческие. Кроме них возможны и другие воздействия: химиче­ские, биологические, радиационные, магнитные, электриче­ские, электромагнитные и др. Для надежного функциони­рования механизмов, узлов и деталей необходимо обеспечить стойкость изделий к механическим, климатическим и дру­гим воздействиям.

Механические воздействия, связанные с эксплуатаци­ей и транспортировкой, включают в себя нагрузки, вибрации, удары. Инерционные нагрузки при движении могут достигать больших величин, например у ЛА нескольких десятков g, и должны учитываться в расчетах на прочность. Стойкость к вибрации определяется вибропрочностъю и виброустойчивостъю. Вибропрочностъ характеризуется способностью конструкции противостоять разрушающему действию вибра­ции в заданных диапазонах частот и оставаться работоспособ­ной после длительного действия вибрации. Виброустройчивость характеризуется сохранением работоспособности кон­струкции в условиях вибрационных нагрузок. Так, при транспортировке и работе механизмов его элементы испыты­вают вибрацию, которая опасна тем, что при ее воздействии происходит отвинчивание резьбовых деталей агрегатов и ме­ханических узлов. Отвинчивание устраняется с помощью обя­зательного стопорения, применяемого на ЛА, автомобилях, судах и других изделиях.

Климатические воздействия характеризуются сле­дующими компонентами: температурой, давлением, влажно­стью, грязью и пылью. Требование стойкости к измене­нию температур определяется необходимостью сохране­ния механических характеристик материала и вязкости жидкостей. В процессе эксплуатации на машины и их элемен­ты могут действовать высокие и низкие температуры. Низкие температуры приводят к хладоломкости. Материал и свар­ные швы с понижением температуры становятся хрупкими и легко разрушаются при циклическом и ударном нагружении. Пригодность материала по этому показателю определяется ударной вязкостью KCU  отношением работы разруше­ния надрезанного образца к площади поперечного сечения в месте надреза. Диапазон температур внешней среды при экс­плуатации технических объектов в России обычно не превы­шает +60...60 °С. Следует отметить, что в случае ударного или циклического нагружения некоторые металлы нельзя ис­пользовать даже при установленной отрицательной темпера­туре 60 °С. Это относится, например, к зубчатым колесам из стали 45, ударная вязкость которой снижается с 50 Дж/см² при t = 20 °С до 10...20 Дж/см² при t = 60 °С. В промышлен­ности для изготовления деталей машин обычно применяются конструкционные стали с KCU > 5...10 Дж/см² и крайне редко  материалы с KCU < 2 Дж/см². При высоких прочностных требованиях к конструкции  металлические детали, подвергающиеся ударному нагружению (например, элементы передач), должны иметь в диапазоне рабочих температур ударную вязкость не ниже 50...100 Дж/см². Диапазон эксплу­атационных температур следует учитывать и при подборе смазочных и неметаллических материалов. Так, смазочный материал при низких температурах становится более вяз­ким или загустевает. Например, ЦИАТИМ-221 загустевает при t = 60 °С, а ВНИИНП-284 при t = 110 °С. Загустение смазочного материала нарушает нормальную работу механиз­мов, поэтому они не должны использоваться при температу­рах, ниже указанных в технических условиях. Резиновые шайбы, используемые в мягких амортизаторах, при пониже­нии температуры вначале резко увеличивают жесткость, а при t = 60 °С становятся хрупкими. Пластмассы при сильном ох­лаждении могут терять эластичность и также становятся хрупкими. Для полимерных материалов опасны резкие изме­нения температуры, приводящие к их разрушению. Детали ряда машин в процессе эксплуатации подвергаются интенсив­ному нагреву. В результате понижается прочность деталей (уменьшается предел прочности и предел выносливости) и мо­жет появиться ползучесть. Она характеризуется непрерывной пластической деформацией при длительном нагружении. Теплостойкость таких элементов обеспечивается правиль­ным подбором материалов, а при необходимости и путем спе­циальных исследований и последующих мероприятий. Изме­нение температуры также приводит к изменению зазоров в подвижных соединениях, что связано с различными коэф­фициентами линейного расширения различных материалов элементов или с неравномерным нагревом.

На работу машин также может оказывать влияние давле­ние. Элементы машин, работающие в вакууме, должны удов­летворять требованию стойкости к пониженному давлению. Низкое давление сильно влияет в основном на неметалличе­ские материалы, когда в вакууме происходит сублимация их компонентов. Наиболее заметно она проявляется у полимер­ных материалов, резин, смазочных материалов и антифрик­ционных покрытий, что необходимо учитывать при констру­ировании узлов с долговременным пребыванием в вакууме. Например, в космическом вакууме нужно использовать спе­циальную резину ИРП-1118. В вакууме на трущихся поверх­ностях деталей отсутствуют окисные пленки, поэтому возрас­тет коэффициент трения. Возникает опасность схватывания трущихся поверхностей, что вызывает их повреждения за­едание и задиры у зубчатых колес и подшипников скольже­ния. В ряде элементов конструкций (баках, трубопроводах) может иметь место высокое давление, которое также необхо­димо учитывать при проведении расчетов на прочность.

Влажность атмосферы вызывает коррозию металлов, разбухание и потерю прочности ряда неметаллов. Для устра­нения коррозии металлов следует проводить специальные мероприятия. Существуют следующие способы повышения кор­розийной стойкости металлов:

- применение антикоррозийных материалов (например, не­ ржавеющей стали 12Х18Н10Т);

- применение антикоррозийных покрытий  хромирование, анодировние, оксидирование, грунтовка, окраска и др.;

- использование специальной обработки для получения ме­нее шероховатой поверхности (шлифование, полирование), не устраняющей коррозию, но замедляющей ее развитие;

- покрытие поверхностей защитными смазками, что используется для деталей, расположенных внутри корпуса, при работе механизмов, а также при консервации деталей и уз­лов;

- заключение деталей в герметизированные объемы, исклю­чающие попадание влаги внутрь.

Особенно опасно сочетание влажности и высоких темпера­тур, наблюдающееся в приморских районах, в тропиках, где резко активизируются процессы коррозии.

Загрязнение деталей передач пылью, песком и другими твердыми частицами приводят к существенному увеличению износа трущихся частей. Для устранения абразивного износа передачи помещаются внутри корпуса, что исключает попада­ние твердых частиц внутрь. Износостойкость существенно влияет на долговечность работы механизмов. Износ является главной причиной выхода из строя машин (до 90%). Ежегод­ные расходы на обслуживание и восстановительный ремонт некоторых действующих машин превышают стоимость годо­вого выпуска новых машин. Износ передач обычно приводит к потере точности и увеличению динамических нагрузок, а ино­гда и к поломкам, особенно при длительной эксплуатации, ес­ли не производится техническое обслуживание и ремонт.

К другим факторам относится стойкость к химическому и биологическому воздействию. Стойкость к химическо­му воздействию должны иметь детали, работающие в аг­рессивных средах. Трубопроводы в этом случае должны из­готавливаться из материалов, не взаимодействующих с на­полняющими их жидкостями. Например, азотная кислота разъедает трубы из обычной стали и не разрушает нержавею­щую сталь 12Х18Н10Т. Стойкость к биологическому воздействию определяется тем, что некоторые насекомые и грызуны поедают элементы изделий из органических и изо­ляционных материалов. Возможно также появление плесе­ни, которая вызывает коррозию металлов и разложение неме­таллов.