Виды нагрузок, действующие на детали машин.

Нагрузки на детали машин и напряжения в них, как известно, могут быть постоянными и переменными по времени.

Нагрузки на детали машин делятся на:

номинальные

расчетные

Расчетная нагрузка Ррасч определяется произведением номинальной нагрузки и коэффициента нагрузки К:

К учитывает динамичность нагрузки и некоторые другие факторы.

По характеру действия нагрузки делят на:

статические – длительно действующие на деталь, но постоянно и медленно изменяющиеся в период снятия и приложения нагрузки.

повторные или переменные установившегося и неустановившегося режимов.

нагрузки малой продолжительности или ударные с коротким циклом изменения напряжения.

Детали, подверженные постоянным напряжениям в чистом виде, в машинах почти не встречаются. Постоянная, неподвижная в пространстве нагрузка вызывает во вращающихся деталях (валах, осях, зубьях зубчатых колёс) переменные напряжения. Однако некоторые детали работают с мало изменяющимися напряжениями, которые при расчёте можно принимать за постоянные. К таким деталям могут быть отнесены детали с большими нагрузками от силы тяжести (в транспортных и подъёмно – транспортных машинах), детали с большой начальной затяжкой (заклёпки, часть крепёжных винтов и пружин) и детали с малым общим числом плавных нагружений.

Переменные напряжения, прежде всего, характеризуются циклом изменения напряжений (отнулевым, знакопеременным симметричным и ассиметричным знакопостоянным или знакопеременным циклами).

Нагрузки могут изменяться плавно или прикладываться внезапно (удары). Существенные ударные нагрузки действуют в машинах ударного действия и в транспортных машинах. Удары также бывают связаны с работой механизмов(переключением зубчатых колёс и кулачковых муфт на ходу, использованием упоров и т.д.), с погрешностями изготовления и увеличенными зазорами в сопряжениях. Очень опасны удары при авариях. Основная характеристика сопротивления удару – ударная вязкость.

Статическим нагрузкам соответствуют статические напряжения, неизменяющиеся в течение длительного времени ни по величине, ни по направлению: заклепки, часть крепежных винтов и пружин, элементы котлов и резервуаров.

Переменным нагрузкам соответствуют переменные напряжения, которые характеризуются циклом изменения напряжения.

В деталях машин возникают следующие циклы:

1) Пульсационный или отнулевой цикл, при котором напряжения изменяются от 0 до max и обратно до нуля (зубья зубчатых колес, работающих в одну сторону, штоки, толкатели и шатуны тихоходных машин, малонагруженные при обратном ходе).

Вычислим некоторые параметры этого цикла:

среднее напряжение цикла:

амплитуда:

коэффициент симметрии:

Растяжение – со знаком «+», сжатие – с «–», кручение – «+» или «–» выбирается условно в зависимости от выбранного напряжения.

2) Знакопеременный симметричный цикл, при котором напряжения изменяются от отрицательного до такого же по абсолютной величине положительного значения (значение изгиба при вращающихся валах).

Симметричный цикл:

Параметры:

среднее напряжение

амплитуда

коэффициент симметрии

σ-1; τ-1 – пределы выносливости при симметричном цикле.

3) Знакопостоянный (винты и пружины) или знакопеременный (большинство деталей); ассиметричные циклы – наиболее общее понятие.

 

Ассиметричные циклы – частные случаи динамических переменных нагрузок. При расчетах ударные нагрузки приводятся к статическим через коэффициент динамичности.

 

3. Допускаемые и предельные напряжения. Запас прочности. Табличный и дифференциальный методы определения допускаемых напряжений и запаса прочности.

Под допускаемым напряжением понимают максимальное значение рабочего напряжения, которое может быть допущено в сечении детали при условии обеспечения необходимой надёжности детали во время эксплуатации.

Условия прочности записываются в виде:

(2)

F – нагрузка; A – сечение; - предельное напряжение детали; τ и σ – рабочие напряжения; nσ, nτ – запас прочности.

(1) – расчёты по допускаемым напряжениям; (2) – расчёты по коэффициентам запаса (более точны).

Предельное напряжение – такое напряжение, при котором деталь или ломается или прекращается её нормальная работа из – за больших остаточных деформаций.

При упрощённых расчётах запас прочности (общий) берут из справочников.

Для того чтобы учесть факторы, влияющие на выбор допускаемых напряжений, применяется дифференциальный метод определения запаса прочности:

[n] = n1n2n3, где n1 учитывает точность определения усилий, напряжений, а также точность расчётной схемы; n2 учитывает неоднородность материала и его чувствительность к нарушению процесса термической и механической обработки – отклонение механических свойств материала от нормальных; n3 предусматривает увеличение запаса прочности для обеспечения более длительного срока использования ответственных деталей и для повышения их надёжности в процессе эксплуатации – коэффициент безопасности. При переменных напряжениях разрушение детали происходит в результате развития трещины усталости. За предел напряжения принят предел выносливости σ-1.Допускаемые напряжения в этом случаи определяются:

- при растяжении, сжатии;

 

- при изгибе;

 

- при кручении, где

εσ, εσ – масштабные факторы – отношение предела выносливости детали к пределу выносливости лабораторного образца;

Кσ, Кτ – эффективные коэффициенты концентрации напряжения – отношение предела выносливости образца с концентрацией напряжений к пределу выносливости образца без концентрации напряжений и теми же размерами сечения, что гладкого образца;

β – коэффициент, учитывающий влияние состояния поверхности, упрочнения поверхности и ХТО;

σ-1 – предел выносливости для лабораторного образца;

КL – коэффициент долговечности; , где m – показатель уравнения кривой выносливости; N0 – базовое число циклов переменного напряжения; NЕ – эквивалентное число циклов переменного напряжения.

Расчёт на прочность при нестационарных переменных напряжениях, т.е. напряжениях с меняющимися амплитудами, основан на уравнении суммирования повреждений:

, где:

nцi – общее число циклов действия некоторого напряжения σi;

Nцi – число циклов до разрушения при том же напряжении;

А – экспериментальный коэффициент.

Табличный метод определения допускаемых напряжений:

Этот метод является одним из самых старейшим.

Имеются специализированные по отраслям машиностроения таблицы для выбора допускаемых напряжений, которые позволяют рассчитывать детали с наименьшим, но обоснованным практикой, значением запаса прочности.