2.5. Жорсткість

Жорсткість - це здатність деталей чинити опір змінам форми під дією сил. Жорсткість, як і міцність, є одним із найбільш важливих критеріїв роботоздатності машин.

Для багатьох деталей їх розміри диктуються умовами жорсткості, а не значеннями граничної напруги (наприклад, станини металорізальних верстатів).

Жорсткість деталей машин визначається власною жорсткістю деталей, які розглядаються як брусся, пластини або оболонки з ідеалізованими опорами; і контактною жорсткістю, тобто жорсткістю поверхневих шарів у місцях контакту.

Власна жорсткість оцінюється з підставленням розрахункових і допустимих деформацій при дії максимального експлуатаційного навантаження: прогинів f, кутів повороту перерізів Θ, кутів закручування φ і т.п.

Умови жорсткості:

; ; (2.6)

При розрахунках контактної жорсткості враховують те, що контакт деталей може здійснюватися двома різними способами:

1) в умовах початкового дотику в точці або по лінії (стиск шарів або циліндрів);

2) в умовах великої номінальної площі дотику.

В обох випадках контактні переміщення суттєві через малу фактичну площу контакту (в 2-му випадку навантаження сприймають мікронерівності на гребенях макрохвиль).

Контактні зближення гладких однорідних тіл з початковим дотиком у точці або по лінії розраховують за допомогою теорії Герца.

На стійкість при поздовжньому згині розраховують гвинти домкратів, ходові гвинти, штоки циліндрів, пружини, які працюють на стиск. Перевіряють жорсткість металевих конструкцій підйомно-транспортних машин.

2.6. Стійкість проти спрацювання

Спрацьованість являє собою поступове зменшення розмірів і зміну форми деталей по поверхні в результаті тертя. Спрацювання - являє собою результат спрацьованості.

Спрацювання обмежує довговічність деталей за такими параметрами роботоздатності: а) за точністю (наприклад, прецизійні верстати, вимірювальний інструмент і т.п.); б) за міцністю через зменшення перерізів, нерівномірне спрацювання опор, збільшення динамічного навантаження (наприклад, зуб’я зубчастих і черв’ячних передач); в) за коефіцієнтом корисної дії та збільшенням втрат (наприклад, циліндр і поршень у двигунах, насосах і т.п.); г) за шумом (наприклад, передачі транспортних та інших машин); д) за повним стиранням, яке робить деталь непридатною для використання (наприклад, робочі органи землерийних машин, колодки гальм).

Основною ознакою класифікації за причинами і механізмами руйнування поверхні тертя є механічні, фізичні та хімічні процеси, які відбуваються в зоні контакту.

Окислювальне спрацювання - найбільш поширений різновид механічного спрацювання. Це процес поступового руйнування поверхні деталей при терті, який викликається взаємодією активних, пластично-деформованих поверхневих шарів металу з атомами кисню, який міститься у повітрі або у мастилі й адсорбується на поверхні. Окислювальне спрацювання проявляється в утворенні хімічно-адсорбційних плівок, плівок твердих розчинів і хімічних з’єднань металу з киснем та виведенні їх з поверхні тертя. Окислювальне спрацювання характеризує нормальні умови експлуатації вузлів тертя, спостерігається як супровідне в інших видах спрацьованості. Нормальний окислювальний процес виникає під час тертя ковзання та тертя кочення, сухого тертя, граничного змащення.

Спрацьованість та пошкоджуваність у разі наявності абразивного середовища - це процес руйнування поверхні деталей машин, зумовлений наявністю абразивного середовища у зоні тертя. До абразивної спрацьованості схильні робочі органи грунтообробних, гірничих, будівельних, дорожніх машин, вона спостерігається у рухомих спряженнях широкого кола машин при проникненні твердих часток з повітрям, мастилом, горючими матеріалами.

Є дві форми прояву абразивних процесів, які розрізняються характером взаємодії часток з поверхнею металу: перша форма - є переважно механічним руйнуванням, яке включає до себе пластичне деформування поверхневих шарів, їх окислювання і наступне руйнування створених плівок. Це різновид механічно - хімічного спрацювання. Друга форма прояву абразивних процесів - з переважно механічним руйнуванням металу поверхневих шарів - включає до себе проникнення абразивних часток і руйнування поверхневих об’ємів металу без відділення частини основного металу або із зняттям мікростружки. Остання форма належить до недопустимих процесів пошкоджуваності при зовнішньому терті.

Схоплювання 1-го роду - процес недопустимої пошкоджуваності поверхні тертя, яке розвивається в результаті виникнення локальних металевих зв’язків, деформації поверхні і руйнування з відокремленням частинок металу або з налипанням на поверхні контакту. Схоплювання 1-го роду виникає у випадку тертя ковзання з малими швидкостями відносного переміщення і питомим тиском, який перевищує границю текучості на ділянці фактичного контакту в разі відсутності розділяючого шару мастила і захисної плівки оксидів. У вакуумі за розрідженням 1,33·10^-3 і нижче цей вид пошкодження може виникати і при терті кочення.

Схоплювання 2-го роду - процес недопустимої пошкоджуваності поверхні тертя, який визначається виникненням місцевих металевих зв’язків, деформацією поверхні і руйнуванням, яке проявляється у виникненні тріщин, намазуванні, перенесенні металу і відділенні частинок з поверхні тертя. Виникнення металевих зв’язків зумовлене нагріванням, розм’якшенням, деформацією і контактуванням ювенільних поверхонь. Схоплювання 2-го роду виникає як тертя ковзання з великими швидкостями відносного переміщення і значним питомим тиском, які зумовлюють високий градієнт і інтенсивне зростання температури в поверхневих шарах металів, що труться, їх термічну пластичніть. Остання викликає знеміцнення металу, явище його відпускання та оплавлення. Схоплювання 2-го роду виникає у тих спряженнях, робота яких пов’язана із стійким граничним мащенням.

Пошкодження від втомленості виникають в деталях машин при терті кочення і є результатом інтенсивного руйнування поверхневих шарів металу, які знаходяться в особливих умовах напруженого стану. Руйнування поверхні характеризується виникненням мікротріщин, одиничних і групових западин. Пошкодження від втомленості спостерігається в деталях підшипників кочення, зубчастих коліс, розподільного устаткування, в парах “ролик-шайба”, де існує тертя кочення і кочення з ковзанням.

Фреттінг-процес - це руйнування поверхні тертя деталей машин, яке проявляється у різко інтенсифікованому (динамічному) окислюванні або схоплюванні. Інтенсифікація окислення і схоплення спричиняється динамічним характером навантаження, за якого на контакті різко збільшується градієнт деформацій і температур. Фреттінг-процес виникає у випадку тертя ковзання з дуже малим зворотно-поступальним переміщенням і динамічним прикладанням навантаження. Існує мінімальне значення ковзання, нижче від якого фреттінг-процес не виникає. Фреттінг-процес - один із дуже небезпечних і різко виражених видів пошкодження деталей машин, він відбувається за умов як сухого тертя, так і змащення.

Розрахунки на стійкість проти спрацювання передбачають.

1. Забезпечення рідинного тертя, для цього необхідно мати задану товщину масляного шару.

2. Забезпечення необхідного ресурсу призначенням допустимого тиску, встановленого практикою.

При порівняльному аналізі конструкцій для оцінювання ресурсу за спрацюванням використовують розрахунки за спрацюванням на основі подібності у відносній формі. Вихідною залежністю при цьому є:

р^mS = соnst,

де р – тиск (контактна напруга); S – шлях тертя; m – показник степеню, m = 1 при терті без змащення; m = 1...2 при терті без змащенні і великому тиску; m = 3 при напіврідинному терті.