1.3 Режимы нагружения

В течение всего срока службы величины нагрузок на механизм различны, что учитывается режимами работы, которые устанавливаются совокупной оценкой характерных нагружений с учетом их времени действия и общим временем эксплуатации. При расчете механизмов и их элементов учитывают режимы работы (таблица 1.1), которые установлены по классу использования (таблица 1.2) и классу нагружения (таблица 1.3).

Таблица 1.1 – Группа режима работы механизмов по ГОСТ 25835 – 83

Класс использования	Группа режима работы механизма для класса нагружения				Класс использования	Группа режима работы механизма для класса нагружения
	В1	В2	В3	В4		В1	В2	В3	В4
А0	1М	1М	1М	2М	А4	3М	4М	5М	6М
А1	1М	1М	2М	3М	А5	4М	5М	6М	6М
А2	1М	2М	3М	4М	А6	5М	6М	6М	6М
А3	2М	3М	4М	5М

Класс использования механизма (таблица 1.2) устанавливают по времени L_h его работы

Таблица 1.2 – Классы использования механизмов (ГОСТ 25835-83)

Класс использования	А0	А1	А2	А3	А4	А5	А6
Общее время работы механизмов Lh, ч	До 800	800… 1600	1600… 3200	3200… 6300	6300… 12500	12500… 25000	25000… 50000

Общее время работы L_h механизма рассчитывают по следующей формуле

L_h =36524 Т_гK_гK_сK_р ПВ /100 , (1.16)

где Т_г – срок службы (требуемый), лет;

K_г – коэффициент годового использования при числе дней в году T _г равен

K_г=T _г/365, (1.17)

K_с – коэффициент суточного использования механизма, который при количестве работы часов в сутки t_с составит

K_с=t _с/24, (1.18)

K_р – коэффициент часового использования механизма, который при количестве минут работы механизма в течение часа t_р, вычисляется соответсвенно

K_р =t_р /60, (1.19)

ПВ_техн – относительная продолжительность включения, характеризующая интенсивность использования механизма и определяемая отношением той части времени t_в цикла, когда механизм работает к полному времени технологического цикла t_ц, равному сумме времени t_п пуска, времени t_уст движения с установившейся скоростью, времени t_т торможения и времени t_пауз пауз (t_ц =t_п+t_уст +t_т +t_пауз)

ПВ=(t_в/t_ц)100% . (1.20)

Для механизмов принимают t_ц не более одного часа. При этом ПВ может принимать значения 15, 25, 40, 60.

Для двигателей повторно - кратковременного режима допустимое время цикла установлено равным 10 мин. Если t_ц 10 мин, то режим работы двигателя считается продолжительным ПВ=100%.

Общее времени работы механизма назначается с учетом наибольшей экономичности для ожидаемых условий использования механизма. Для механизмов, у которых предусмотрен капитальный ремонт норма устанавливается до капитального ремонта. Для механизмов, у которых капитальный ремонт не предусмотрен норма устанавливается до списания.

Класс нагружения механизмов (таблица 1.3) устанавливают по коэффициенту нагружения К.

Таблица 1.3– Класс нагружения механизма и его характеристики (ГОСТ 25835-83)

Класс нагружения	Коэффициент нагружения К	Качественная характеристика класса нагружения
В1	До 0,125	Работа при нагрузках значительно меньшей номинальной и в редких случаях с номинальной нагрузкой
В2	0,125…0,25	Работа при средних и номинальных нагрузках
В3	0,25…0,5	Работа преимущественно при номинальных и близких к номинальным нагрузкам
В4	0,5…1,0	Постоянная работа при номинальных и близких к номинальным нагрузкам

Коэффициент нагружения К вычисляют по следующей формуле

К=[(Q_i/Q_max)³(t_i/t_i)], (1.21)

где Q_i – нагрузка, действующая на механизм в течение времени t_i; Q_max – наибольшая нагрузка, действующая на механизм в течение времени его работы;

t_i – продолжительность времени действия нагрузки Q_i; t_i – суммарное время действия нагрузок на механизм.

Значения нагрузок определяют для концевого звена кинематической цепи механизма (канатный барабан и т.п.), с учетом всех факторов, включая и процессы неустановившегося движения.

Нагрузки могут быть заданы усилием F (Н), моментом Т (Нм), а также мощностью Р (кВт) при частоте вращения n (об/мин) или угловой скорости  (рад/с).

Число циклов N_сi нагружения элемента вращающим моментом Т_i (или другим каким – либо силовым эквивалентом) за время t_i при частоте вращения n_i устанавливается по формуле

N_сi=60 n_it_i. (1.22)

Суммарное число циклов нагружения N_с за время L_h нагружения элемента равно

N_с= N_с1 + N_с2+…+ N_ск, (1.23)

где N_с1, N_с2,…, N_ск - число циклов нагружения элемента моментами Т₁ , Т₂, …,Т_к за периоды времени t₁, t₂,…,t_к соответственно, (t₁ +t₂ +…+t_к =L_h). Величины t₁, t₂,…,t_к представляют собой совокупное время действия нагружающих воздействий Т₁, Т₂, …,Т_к в различные периоды в течение всего срока службы. Эксплуатационные нагрузки Т₁,Т₂, …,Т_к можно сгруппировать по величине в относительных единицах, сопоставив с максимальной Т_max величиной (Т₁/Т_max, Т₂/Т_max, …,Т_к/Т_max) и установить их время действия относительно всего срока службы (t₁/t_h, t₂/t_h,…, t_к/t_h) или относительно общего числа циклов нагружения (N_с1/N_с, N_с2/N_с, …, N_ск/N_с).

Удельный вклад каждой совокупности нагрузок в сочетании со временем их действия относительно общей загрузки механизма является основанием для назначения типа режима нагружения.

В Правилах Госгортехнадзора различают режимы работы механизма легкий (Л), средний (С), тяжелый (Т) и весьма тяжелый (ВТ) .

На рисунке 1.19 показаны циклограммы нагруженности механизма подъема.

Рисунок 1.19 – Графики загрузки механизма подъема груза по режимам: 1 – легкий режим; 2 – средний режим; 3 – тяжелый режим

На основе статистической обработки реальных эксплуатационных режимов полу-

чены типовые режимы нагружения механизмов.

ГОСТ 21354 – 87 предлагает следующие типовые режимы нагружения: постоянный П, тяжелый Т ( - распределение), средний равновероятный Р (равновероятное распределение), средний нормальный Н (нормальное распределение), легкий Л ( - распределение) и особо легкий Л_о ( - распределение).

В таблице 1.4 и на рисунке 1.20 изображена упорядоченная зависимость между нагружающими моментами и числом циклов нагружения в относительных коор-

динатах T/T_max и N_с/N_с.

Таблица 1.4 – Типовые режимы нагружения (ГОСТ 21354 –87)

Виды режимов нагружения	Функция распределения	Параметры функции распределения
1) Тяжелый режим – интегральная функция - распределения	i Ф(i)=ia-1(1-i)b-1di/B(a,b) 0	a=6; b=2 ср=0,77
2) Средний – равновероятный, интегральная функция равновероятного распределения	i Ф(i)= di 0	ср=0,5
3) Средний – нормальный, интегральная функция нормального распределения	 - (i-ср) 2 /2s2 Ф(i)=e di/[s(2)1/2] -	ср=0,5; s=0,19
4) Легкий – интегральная функция  - распределения	i Ф(i)=ia-1 (1-i)b-1di] B(a,b) 0	а=2,2; b=3,0 ср=0,42
5) Особо легкий - интегральная функция - распределения	i Ф(i)=ia-1 (1-i)b-1di/B(a,b) 0	a=1,8; b=4,0 ср=0,31
Примечание. Коэффициенты: i= Тi / Tmax ; ср= Tср / Tmax, где Ti – текущий вращающий момент на ведущем элементе, соответствующий числу циклов нагружения Nсi; Тmax – максимальное значение вращающего момента; Tср – среднее значение вращающего момента.

Рисунок 1.20 – Типовые режимы нагружения (ГОСТ 21354 – 87): 0 – постоянный;

1 – тяжелый ; 2 – средний равновероятный;3 – средний нормальный; 4 – легкий ;

5 – особо легкий

Особенности циклограмм отражает коэффициент интенсивности , который характеризует интенсивность типового режима при базовом числе циклов N_lim:

- для ступенчатой циклограммы

 =( Т_i / Т_max )³(N_ci/N_lim). (1.24)

- при плавном характере циклограммы (рисунок 2.19)

_Tmax

 =( Т_i / Т_max )³(N_ci/N_lim), (1.25)

^Tmin

Соответствие режима нагружения механизма одному из типовых режимов устанавливается по подобию форм кривых и по среднему значению нагрузок. В расчетах следует принимать типовой режим наиболее близкий к фактическому в области больших нагрузок путем сравнения реальной циклограммы с типовыми или эквивалентными режимами нагружения.

Группы режимов работы механизмов по ГОСТ 25835–83, типовые режимы по ГОСТ 21354 – 87 и режимы по правилам Госгортехнадзора приведены в таблице 1.5

Таблица 1.5 – Соответствие групп режимов работы механизма

Режим эксплуатации по ГОСТ 21354–87	«0» непрерывный	«1» тяжелый	«2» средний равновероятностный	«3» средний нормальный	«4» легкий	«5» Особо легкий
Режим работы по ГОСТ 25835–83	6М	5М	4М	3М	2М	1М
Режим по правилам Госгортехнадзора	«ВТ» ПВ(%)= 63…100	«Т» ПВ(%)= 40…63	«Срв» ПВ (%)= 25…40	«Сн» ПВ (%)= 25…40	«Л» ПВ(%)= 16…25	«Ло» ПВ<16%

При оценке прочности элементов, на которые действуют нагрузки непостоянные по величине, в качестве рабочей принимают эквивалентную нагрузку, полагая, что эта нагрузка по воздействию равна реально действующей.

Эквивалентное число циклов нагружений определяется по формуле

N_Е=N_с. (1.26)

Этот параметр используют для установления эквивалентности реальных режимов типовым, а также для определения коэффициента долговечности К_L .

Коэффициент долговечности K_L устанавливает соответствие между базовым N₀ и эквивалентным числом циклов N_E нагружений при заданном режиме, конкретном типе цикла напряжений и для определенного вида прочностного расчета

K_L =(N₀/N_E)^1/q. (1.27)

Методы учета нагрузок, изменяющихся во времени, регламентированы номативной документацией.

Величина нагрузок на элементы механизма может быть установлена по одному из нижеприведенных методов (ГОСТ 21354 – 87).

Метод эквивалентных циклов

Расчет на контактную выносливость

За исходную расчетную нагрузку Т_1Н – для ведущего элемента (Т_2Н = Т_1Н u – для

ведомого элемента передачи) принимают наибольшую из подводимых к передаче, для которой число циклов перемены напряжений не менее 0,03N_Нlim1.

Соответствующее этой нагрузке эквивалентное число циклов напряжений N_НЕ1 определяют по формуле

N_НЕ1 =_Н N_Нlim1 , (1.28)

где _Н – коэффициент, учитывающий характер циклограммы.

Для ступенчатой циклограммы _Н равно

_Н =( Т_1i / Т_1Н)³(N_ci/N_Нlim1). (1.29)

При плавном характере циклограммы _Н равно

_T1max

_Н =( Т_1i / Т_1Н)³(N_ci/N_Нlim1), (1.30)

^T1min

где N_Нlim1 – базовое число циклов нагружений.

Расчет на выносливость при изгибе

За исходную расчетную нагрузку Т_1F (или Т_2F ) принимают наибольшую длительно действующую с числом циклов перемены напряжений более 510⁴.

Соответствующее этой нагрузке эквивалентное число циклов напряжений N_FЕ определяют по формуле

N_FЕ =_F N_Flim , (1.31)

где _F – коэффициент, учитывающий характер циклограммы, который для

ступенчатой циклограммы равен

_F =( Т_1i / Т_1F)^qF (N_ci/ N_Нlim1), (1.32)

где q_F – показатель степени кривой выносливости при циклическом изгибе.

Метод эквивалентных моментов

Эквивалентный момент учитывает значение и длительность всех уровней нагрузки.

Расчет на контактную выносливость

За исходную расчетную нагрузку Т_1Н или (Т_2Н ) принимают эквивалентный момент

Т_НЕ =Т_max[(T_i/T_max)³(N_ci /N_K)]^1/3 . (1.33)

Расчет на выносливость при изгибе

За исходную расчетную нагрузку Т_1F или (Т_2F ) принимают эквивалентный момент

Т_FЕ =Т_max[(T_i/T_max)³(N_ci / N_K)]^1/qF , (1.34)

где q_F – показатель степени кривой выносливости при циклическом изгибе.

Метод эквивалентных напряжений

Расчетное напряжение определяют для каждой ступени циклограммы.

Расчет на контактную выносливость

Число циклов действия за расчетный ресурс N_ci 0,03 N_Нlim.

Эквивалентное напряжение _НЕ определяют по формуле

_НЕ=К_НЕ_Н1, (1.35)

где _Н1 – расчетное напряжение соответствующее первой ступени циклограммы;

К_НЕ =[(_Нi /_Н1)⁶(N_ci / N_Н)]^1/6 при _Нi _Нlim, (1.36)

К_НЕ =[(_Нi /_Н1)²⁰(N_ci / N_Н)]^1/20 при _Нi _Нlim (1.37)

(N_Н - суммарное число циклов всех ступеней циклограммы).

Расчет на выносливость при изгибе

Эквивалентное напряжение определяют по формуле

_FЕ=К_FЕ_F1, (1.38)

где _F1 – расчетное напряжение соответствующее первой ступени циклограммы;

К_FЕ =[(_Fi /_F1)^qF(N_ci /N_F)]^1/qF , (N_F - суммарное число циклов всех ступеней

циклограммы).

Одной из основных характеристик работы машины и ее элементов является надежность, т.е. свойство объекта выполнять заданную функцию, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах.

Надежность – свойство комплексное, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность в отдельности или совокупно.

Долговечность – это свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Нарушение работоспособности называют отказом.

Одной из основных качественных характеристик надежности машин и их деталей является вероятность безотказной работы Р(t), которая до установленного момента времени или конца наработки приближенно устанавливают по формуле

Р(t)1 – N(t)/N , (1.39)

где N(t) – число элементов объекта,отказавших к моменту времени t; N – число элементов, подвергнутых испытанию.

Таким образом, оценка надежности машин и их механических элементов производится с использованием информация о предыдущих подобных им объектах.