Нагрузки в машинах и прочность деталей ПТС и ДМ

Нагруженность машин – один из главных факторов, определяющих их надежность и энергетическую эффективность.

По характеру изменения во времени нагрузки можно разделить на постоянные, переменные и прочие.

К постоянным нагрузкам относят нагрузки рабочего состояния, не изменяющиеся в течение продолжительного периода времени. Переменные рабочие нагрузки в течение короткого времени могут изменяться по амплитуде и среднему значению. К прочим нагрузкам относят нагрузки, характерные для нерабочего состояния машины.

К числу постоянных нагрузок можно отнести силы тяжести, нагрузки от метеорологических факторов (снега, температуры воздействия); усилия предварительного натяжения тяговых элементов; усилия от расчаливания; нагрузки холостого хода машин непрерывного транспорта и рабочие нагрузки при стационарном режиме их работы. Характерной особенностью многих постоянных нагрузок является то, что, будучи постоянными для одних элементов машины, они вызывают стационарные переменные напряжения в других ее элементах (постоянная нагрузка от силы тяжести тележки с грузом, перемещаемой относительно моста, вызывает в металлоконструкции переменные напряжения, изменяющиеся по асимметричному циклу).

Постоянные нагрузки по-разному влияют на работу машин: в одних случаях их влияние незначительно, в других – существенно (сила тяжести металлоконструкции кранов часто превосходит силу тяжести поднимаемых грузов), и их влияние необходимо учитывать; нагрузки на краны от снега и гололеда могут быть значительными и соизмеримы с силами тяжести – гололед утяжеляет движущиеся части (ленту, полотно) машин непрерывного действия.

Переменные нагрузки – рабочие (полезные) нагрузки; силы сопротивления движению; динамические нагрузки, связанные с пуском (разгоном), торможением, реверсированием; наезды на препятствия, неровности пути, неравномерность движения, ветровые нагрузки; обрыв, падение и заклинивание груза. Основные их причины – нестационарность режима загрузки, переменность рабочего процесса, внутренняя и внешняя динамики.

Прочие нагрузки – сейсмические, транспортные, монтажные и испытательные нагрузки, воздействующие на машину в нерабочем состоянии.

Прочность является важнейшим критерием работоспособности машины, однако понятие прочности относится не к машине в целом, а к ее деталям. Под прочностью понимается способность детали не разрушаться под действием расчетных нагрузок. Прочность обеспечивается правильным подбором материалов, размеров и форм деталей. Она оценивается силой, приходящейся на единицу площади (Н/мм² или МПа). По критерию прочности существуют следующие виды отказов:

– усталостные разрушения возникают при переменных напряжениях, уровень которых превышает предельное для данных условий значение. Обычно существует такой стационарный режим нагружения, при котором увеличение числа циклов нагружения N не вызывает снижения напряжений , называемого пределом выносливости. Усталостному разрушению деталей предшествует образование трещины, которая, постепенно развиваясь, ослабляет сечение и вызывает внезапную поломку, нередко с тяжелыми последствиями;

– пластические деформации наблюдаются при перегрузке деталей из вязких (пластичных) материалов – незакаленные и высокоотпущенные стали. Ползучесть – процесс малой непрерывной пластической деформации, возникающей при длительном нагружении (деформации изгиба, растяжении);

– хрупкие разрушения, в отличие от усталостных, происходят при однократном воздействии больших нагрузок (реже – статических, чаще – динамических) на детали из хрупких металлов (материалов); в условиях низких температур; при постоянных остаточных напряжениях высокого уровня (замедленное хрупкое разрушение низкоотпущенных сталей); под действием факторов, не связанных с нагружением (тепловое и радиационное охрупчивание);

– нарушение сцепления вызывается нагрузками, превышающими предельные (поворот и осевое смещение в соединениях с натягом, проскальзывание в приводах и передачах трения).

С целью повышения работоспособности деталей машин по критерию прочности применяются различные конструктивные и технологические методы снижения номинальных и местных напряжений, их выравнивание и уменьшение (применение шлицевых соединений вместо шпоночных, применение балок равного сопротивления, калибровка звеньев круглозвенной цепи, оптимизация формы опасных сечений элементов; закалка обеспечивает общее упрочнение деталей, повышение их износостойкости, надежности прессовых соединений и др.; цементация, азотирование, хромирование и т. д.).

Естественно, что повышение надежности машин неразрывно связано с усовершенствованием расчетов на прочность.

Для многих деталей таким же важным критерием работоспособности, как и прочность, является жесткость. Жесткость – способность детали сопротивляться изменению своей формы под воздействием внешних нагрузок. Это важно для таких деталей, как сжатые стержни ферм, ходовые и грузовые винты, высокооборотные валы и др., для которых размеры выбираются по условиям жесткости, несмотря на то что по условиям прочности эти размеры могут быть значительно завышены.

Пути повышения жесткости:

– исключение деформации изгиба, как наиболее опасной с точки зрения потери жесткости (сделать конструкцию детали так, чтобы она работала на растяжение-сжатие);

– избегать консольного крепления детали;

– стремиться к замене сосредоточенной нагрузки равномерно распределенной;

– применение ребер жесткости, препятствующих появлению деформации элементов;

– применение рациональной формы сечений (замена прямоугольного сечения).