Методы снижения надежности в деталях и конструкции машины

Как уже отмечалось, различные виды внешних нагрузок (постоянные, переменные, циклические) вызывают в деталях, элементах и конструкциях машины напряжения, которые существенно влияют на их работоспособность (вплоть до разрушения).

Различают так называемые номинальные напряжения, оказывающие влияние на всю деталь или конструкцию, и местные напряжения, возникающие в зонах соединения деталей и в местах контакта сопряженных деталей. Местные напряжения обусловлены локальными причинами, включая концентрацию нагрузок в отдельных зонах деталей и сопряжений (в частности в зоне резкого изменения формы детали, в прессовой посадке), а также неоднородность структуры материала детали и др.

Соответственно различают и методы снижения внутренних напряжений, которые затрагивают целиком элемент конструкции или же отдельную локальную зону элемента или детали.

Кинетика накопления усталостных напряжений, приводящих, в конечном счете, к отказу, зависит как от величины, так и от равномерности распределения нагрузок. Из всех основных видов нагружения, действующих при различных видах внешних нагрузок на рабочие органы и узлы машины (растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб, кручение), наибольшую неравномерность распределения номинальных внутренних напряжений (как по длине, так и по сечению детали) вызывают изгиб и кручение (рисунок 10.1).

В настоящее время разработано и используется на практике ряд методов снижения или выравнивания номинальных внутренних напряжений, обусловленных стационарно действующими внешними нагрузками, к которым относятся:

1) замена элементов конструкций, работающих на изгиб, элементами, работающими на растяжение или сжатие; Это достигается применением предварительно напряженных элементов, например (рисунок 10.2), шпренгельных и предварительно напряженных балок, колонн с растяжками и др.;

2) оптимизация формы опасных сечений элементов, работающих на растяжение или сжатие; Это достигается за счет подбора сечения элементов с учетом показателя W_x / Q (в таблице 10.1 представлены величины этого показателя для различных форм сечения стандартных профилей, которые различаются между собой по эффективности использования при изгибе на порядок);

3) уменьшение внешней нагрузки за счет ее распределения на несколько элементов или за счет увеличения площади опасного сечения элемента; например, использование косозубого зацепления вместо прямозубого в зубчатых передачах, применение шлицевых соединений вместо шпоночных и др.;

3) уменьшение внешней нагрузки за счет ее распределения на несколько элементов или за счет увеличения площади опасного сечения элемента; например, использование косозубого зацепления вместо прямозубого в зубчатых передачах, применение шлицевых соединений вместо шпоночных и др.;

4) создание в элементах начальных напряжений обратного знака, компенсирующих напряжения от внешней нагрузки, например, создание в детали напряжений сжатия (при ее изготовлении) для эксплуатации в условиях растяжения;

5) обеспечение равнопрочности элементов по всей длине за счет подбора их формы, например, применение балок равного сопротивления с переменной высотой или с переменной шириной.

Таблица 10.1 – Сравнение различных форм сечений по показателю W_x / Q

Местные напряжения также могут стать причиной разрушения деталей и элементов конструкций машины, поскольку усталостные трещины возникают и накапливаются именно в местах концентрации напряжений. Причины концентрации местных напряжений могут быть самыми различными, в том числе неоднородность материала детали, резкое изменение формы, концентрация нагрузки в локальной зоне и др.

Наиболее опасными местами деталей и сопряжений являются впадины зубьев и резьб, галтелей, шпоночных пазов, шлицев, поверхностей с острыми углами и др. Кроме того, опасными являются граничные зоны деталей в прессовых посадках, что связано с деформациями деталей в местах посадки и напряжениями растяжения и сжатия в этих зонах.

Концентрация нагрузки, вызывающая местные напряжения, связана, как правило, с технологическими дефектами, возникающими при изготовлении детали, и эксплуатационными причинами (упругие деформации и переносы при нагружении, неравномерное изнашивание сопряженных поверхностей и др.). В частности, при сжатии концентрация нагрузки имеет место в местах зацепления зубчатых передач различного типа, в местах контакта различных опорных элементов с основой (колес, роликов, катков и др.), в подшипниках качения и др. При растяжении она возникает в различных соединениях (сварных, заклепочных, резьбовых). При изгибе она, как правило, обусловлена деформацией деталей и наблюдается в зацеплениях зубчатых колес при их износах, а также в зонах контакта деформированных элементов (валов, валиков и др.) с сопрягаемыми деталями.

Как уже отмечалось, причиной концентрации местных напряжений могут быть неоднородности состава и структуры материала деталей, что особенно характерно для сварных соединений. Здесь концентраторами местных напряжений могут быть как дефекты сварки и неоднородность состава за счет выгорания легирующих добавок в зоне шва, так и структурные изменения в металле околошовной зоны, в частности на границе закаленной и незакаленной областей сварных соединений.

Для снижения местных напряжений используют ряд методов, к которым можно отнести следующие:

1. замене элементов, являющихся концентраторами напряжений;

2. изменение формы деталей за счет оптимизации конфигурации опасных сечений;

3. устранение острых углов в деталях и конструкциях (в частности, за счет скругления впадин зубьев в зубчатых и других передачах;

4. устранение резких переходов и изменение конфигурации переходных зон в деталях:

а) за счет сближения размеров различных элементов деталей;

б) за счет увеличения размеров галтелей;

5) смещения места концентрации нагрузки из зоны опасного сечения детали в другую зону.