Основные критерии работоспособности деталей машин

Прочность является основным критерием работоспособности, т. е. задачей обеспечения необходимой прочности является определение размеров и форм деталей машин, исключающих возможность возникновения недопустимо большой остаточной деформации, преждевременных поломок и поверхностных разрушений.

Большая часть деталей машин подвержена в работе воздействию целого ряда нагрузок, обусловливающих возникновение сложного напряженного состояния. Для проверки прочности деталей при этом состоянии, располагая механическими характеристиками материалов лишь при простом напряженном состоянии, необходимо пользоваться теориями прочности, которые устанавливают связь между прочностью материала и значениями (величиной и знаком) главных напряжений. В основу этих теорий положено, что два напряженных состояния (сложное и простое) равнопрочны, если при пропорциональном увеличении напряжений оба они достигают опасного предела прочности в один и тот же момент.

Практика эксплуатации машин показала, что большинство поломок деталей обусловлено усталостью (выносливостью) металла, т. е. постепенным развитием микротрещин. Существенное значение для направления развития усталостной трещины имеет характер напряженного состояния материала.

Пределом выносливости (усталости) называют наибольшие максималь-ные напряжения цикла, при котором материал не разрушается при весьма большом числе переменных напряжений.

Для различных материалов установлено число циклов, выдержав которое образец не разрушится и при дальнейшем испытании. Это число циклов называется базовым.

Современные методы оценки прочности деталей машин базируются на сравнении нормальных σ или касательных напряжений τ с допускаемыми [σ] и [τ]. Под допускаемыми напряжениями понимают максимальные значения рабочих напряжений, которые могут быть допущены в опасном сечении при условии обеспечения необходимой прочности и долговечности детали во время ее эксплуатации. Следовательно, условие прочности можно выразить формулами

или

где F – действующая нагрузка, Н; A – площадь сечения детали, .

Для пластичных материалов в качестве предельного напряжения берется предел текучести и запас прочности S:

для хрупких материалов в качестве предельного напряжения берется предел прочности и запас прочности:

Из вышеизложенного следует, что запасом прочности S детали называют отношение предельного напряжения к допускаемому напряжению.

Одним из наиболее общих условий конструирования машин является условие равнопрочности. Очевидно, что нет необходимости конструировать отдельные элементы машин с излишними запасами прочности, которые все равно не могут быть реализованы в связи с выходом конструкции из строя из-за разрушения или повреждения других элементов.

Повышение несущей способности и увеличение сроков службы детали осуществляют путем использования конструктивных, технологических, метал-лургических и эксплуатационных мероприятий. Для повышения прочности необходимо увеличить прочностные характеристики материала, уменьшить вредное воздействие динамических нагрузок (например, при 3000 об/мин смещение центра тяжести ротора на 0,1 мм создает нагрузки, равные весу ротора), уменьшить концентрацию напряжений в опасных сечениях, сконстру-ировать детали с возможно более равномерным распределением напряжений.

Вес деталей, работающих на растяжение-сжатие, обратно пропорционален допускаемому напряжению, при изгибе-кручении – допускаемому напряжению в степени 2/3 и т. д. Таким образом, повышение допускаемых напряжений ведет к уменьшению веса деталей, к экономии материалов. Для деталей, работающих на изгиб-кручение, применение высокопрочных материалов неоправданно. При действии переменных нагрузок нужно учитывать, что допускаемые напряжения растут гораздо медленнее, чем предел прочности, и лучше использовать сталь со средними характеристиками и поверхностным упрочнением.

Упрочнение деталей обусловлено главным образом возникновением сжимающих напряжений в поверхностном слое вследствие образования структур большего удельного объема, чем структура основного металла. В этом случае наиболее эффективна поверхностная закалка, цианирование и азотирование, которые практически полностью устраняют влияние концентратов напряжений.