【Тема недели】 Каковы основные принципы проектирования механических деталей? (20.06.20–26.06.2011)

Критерии проектирования механических деталей. При проектировании механических деталей существует множество ограничений, и критерии проектирования представляют собой те условия, которые должны быть соблюдены в процессе проектирования. I. Критерии технических характеристик. Технические характеристики включают все свойства продукта, включая его функциональные возможности, условия производства и эксплуатации; речь идет как о статических, так и о динамических характеристиках. Например, мощность, с которой может работать продукт, его эффективность, срок службы, прочность, жесткость, устойчивость к трению и износу, стабильность при вибрациях, тепловые характеристики и так далее. Критерии технических характеристик означают, что соответствующие технические показатели должны соответствовать установленным требованиям. Например, вибрация создает дополнительные динамические нагрузки и изменяющиеся напряжения. Особенно когда частота вибрации близка к естественной частоте механической системы или её компонентов, возникает резонанс. В этом случае амплитуда вибраций резко увеличивается, что может привести к быстрому повреждению компонентов или даже всей системы. Критерий вибрационной стабильности заключается в ограничении соответствующих параметров вибрации механической системы или её компонентов, таких как частота резонанса, амплитуда, уровень шума и т. д., в пределах установленных допустимых значений. Кроме того, нагрев машины во время работы может привести к тепловым напряжениям и деформациям, а также к тепловым повреждениям. Критерии тепловых характеристик заключаются в ограничении различных связанных с теплом параметров (таких как тепловые напряжения, тепловые деформации, прирост температуры и т. д.) в установленных пределах. II. Стандартные критерии. Основные стандарты, связанные с проектированием механических устройств, включают: стандартизацию концепций: термины, символы, единицы измерения и т. д., используемые в процессе проектирования, должны соответствовать установленным стандартам ； Стандартизация физической формы: структурная форма, размеры, характеристики и т. д. комплектующих, сырья, оборудования и энергоресурсов должны соответствовать установленным правилам. Стандартизация методов: способы выполнения операций, методы измерений, методы тестирования и т. д. должны применяться в соответствии с соответствующими правилами. Стандартизационные нормы предполагают, что на всех этапах процесса проектирования все действия должны соответствовать вышеуказанным стандартам. Стандарты, уже разработанные в области проектирования механических деталей, с точки зрения сферы применения, можно разделить на **три категории: государственные стандарты, отраслевые стандарты и корпоративные стандарты**. С точки зрения обязательности к применению, их можно разделить на два вида: обязательные к выполнению и рекомендуемые к использованию. III. Критерии надежности. Надежность: вероятность того, что продукт или его компоненты смогут выполнять предусмотренные ими функции в течение ожидаемого срока службы при заданных условиях использования. Критерий надежности означает, что разрабатываемые продукты, компоненты или детали должны соответствовать установленным требованиям к надежности. IV. Критерии безопасности. Безопасность машины включает в себя безопасность её компонентов: под этим понимается отсутствие у компонентов таких проблем, как поломки, чрезмерная деформация, износ или потеря стабильности при действии установленных нагрузок в течение определенного времени. Безопасность всей машины: это требование к тому, чтобы машина не выходила из строя в заданных условиях и могла нормально выполнять свои функции. Безопасность труда: относится к защите работников, обеспечению их физической безопасности и психофизического здоровья и так далее. Безопасность окружающей среды: означает отсутствие загрязнения и вреда для окружающей среды вокруг машины и для людей. (

Ответ на 1# 3968668: 1. Критерий прочности требует, чтобы рабочее напряжение механических деталей σ не превышало допустимого напряжения. Его типичная формула вычисления: (3-16) σlim — предельное напряжение; для хрупких материалов, находящихся под статическим напряжением, берется предел прочности, для пластичных материалов — предел пластичности, а для материалов, находящихся под переменным напряжением, — предел усталости. S — коэффициент безопасности. 2. Критерий жесткости. При воздействии нагрузок механические детали подвергаются упругой деформации. Жесткость – это способность материала, механической детали или конструкции сопротивляться деформации под действием внешних сил. Прочность материала определяется величиной внешней силы, необходимой для вызова у него единицы деформации. Прочность механических деталей зависит от их модуля упругости E или модуля сдвига G, геометрических форм и размеров, а также от способа воздействия внешних сил. Анализ жесткости механических деталей является важной задачей в проектировании машин. Для некоторых деталей, в которых необходимо строго ограничить деформации (таких как крылья, шпиндели станков и т. д.), необходимо использовать анализ жесткости для контроля деформаций. Нам также необходимо контролировать жесткость деталей, чтобы предотвратить вибрации или дестабилизацию. Кроме того, как и у пружин, необходимо контролировать их жесткость, чтобы она имела определенное разумное значение и обеспечивала выполнение соответствующих функций. Критерий жесткости предполагает, что уровень упругой деформации детали под действием нагрузки не должен превышать допустимого значения упругой деформации. Выражение критерия жесткости приведено в формуле (3–17). y — это величина упругой деформации, такая как изгиб, продольное удлинение (сокращение); а $y_{\text{доп}}$ — соответствующая допустимая величина упругой деформации. Размер упругой деформации детали может быть определен с помощью теоретических расчетов или экспериментальным путем. Допустимый размер деформации зависит от назначения детали и определяется на основе теоретического анализа или эмпирических данных. 3. Критерий термостойкости Из-за трения и других факторов во время работы машины температура её деталей и смазки обычно повышается. Чрезмерно высокая температура работы приведет к снижению эффективности смазки. Кроме того, это может вызвать тепловую деформацию деталей, снижение их твердости и прочности, а также их повреждение. При высоких температурах металлические механические детали могут склеиваться или заедать ； Неметаллические механические детали, такие как пластик, могут становиться более мягкими или даже плавиться; в некоторых случаях это может приводить к тепловым напряжениям. Критерий термостойкости заключается в том, чтобы температура работы механических деталей не превышала допустимых значений, что обеспечивает их нормальную работу. Этот критерий выражается формулой (3–18). Для улучшения способности к охлаждению и контроля за повышением температуры при необходимости можно использовать такие методы, как водяное или воздушное охлаждение. 4. Критерий стабильности колебаний. Когда частота возбуждения совпадает с естественной частотой объекта, амплитуда его колебаний достигает максимума. Чем больше разница между частотой возбуждения и естественной частотой, тем меньше становится амплитуда колебаний объекта. Когда частота возбуждения близка к естественной частоте объекта, амплитуда принудительных колебаний становится очень великой. Это явление называется резонансом. Стабильность вибрации — это способность механических деталей избегать резонанса во время работы машины. Для увеличения срока службы оборудования и предотвращения повреждения валов и самого оборудования необходимо проверять стабильность вибрации валов, особенно у оборудования, работающего на высоких скоростях. Критерий стабильности вибраций требует, чтобы собственная частота механических деталей отличалась от частоты возбуждения, что обеспечивает отсутствие резонанса. Пусть собственная частота колебаний детали машины, на которую оказывается воздействие, равна f, а частота воздействующей силы — fp. Обычно требуется, чтобы fp < 0,85 f или fp > 1,15 f (3–19). Изменяя жесткость и массу механических деталей, можно изменить их собственную частоту колебаний. Повышение жесткости механических деталей и снижение их массы для увеличения их собственной частоты ； Снижение жесткости механических деталей и увеличение их массы приводят к снижению их собственной частоты. Иногда, при работе машины, для предотвращения резонанса необходимо регулировать скорость вращения. Основная причина возникновения резонанса у вала заключается в том, что из-за неравномерного распределения массы внутри материала, а также из-за ошибок при производстве и монтаже, центр массы вала смещается относительно его оси вращения. При вращении вала возникают инерционные силы, которые заставляют ротор колебаться. Скорость оси при возникновении резонанса называется критической скоростью. При критической скорости частота этой инерционной силы равна или в несколько раз превышает собственную частоту ротора, в результате чего происходит резонанс. 5. Критерии срока службы. Для обеспечения нормальной работы машины в течение определенного срока ее службы при проектировании ее деталей необходимо устанавливать соответствующие требования к сроку их службы. Следует отметить, что в течение срока службы машины детали можно заменять; другими словами, срок службы некоторых механических деталей может быть меньше, чем срок службы самой машины. Срок службы механических деталей в основном определяется усталостью материала, износом и коррозией. Чтобы избежать отказов, вызванных усталостью деталей, таких как усталостное разрушение, необходимо рассчитывать прочность на усталость исходя из предела усталости, соответствующего сроку службы механической детали. То есть, исходя из требований к сроку службы и учитывая такие факторы, как скорость вращения детали, с помощью формулы (3-6) вычисляется предел усталости при количестве циклов напряжений N. Затем этот показатель подставляется в условия прочности для расчета прочности на усталость. При соблюдении требований к прочности при усталости можно гарантировать, что количество циклов напряжений до разрушения механической детали будет соответствовать требуемому сроку службы. Износ обычно неизбежен. При определенных условиях коррозия также неизбежна, например, коррозия конструктивных элементов мостов и закопанных стальных труб. При проектировании основная цель — обеспечить такое состояние механических деталей в течение всего срока их службы, чтобы не происходило чрезмерного износа и коррозии. Механизм возникновения износа до сих пор не полностью понятен, к тому же на него влияет множество факторов. Обычно для повышения износостойкости фрикционных пар используются принципы трибологического проектирования. Основные меры включают: разумный выбор материалов для фрикционных пар ； Разумный выбор смазки и добавок ； Контроль условий работы фрикционных пар, таких как давление, скорость скольжения и прирост температуры. На сегодняшний день не существует практических и эффективных методов расчета срока службы материалов под действием коррозии; обычно принимаются меры, связанные с выбором материалов и их защитой от коррозии. При использовании материалов, устойчивых к коррозии, применяются такие методы обработки, как покрытие поверхности, распыление и фосфатирование. 6. Критерии надежности. Надежность – это способность продукта выполнять свои функции в заданных условиях и в течение определенного времени. Качество продукта обычно должно включать показатели производительности и надежности. Показатели производительности механических изделий — это технические характеристики продукта, такие как мощность механизма, крутящий момент, рабочая сила, скорость работы и т. д. Если есть только показатели производительности, но нет показателей надежности, то и показатели производительности продукта не могут быть гарантированы. Например, у современного самолета, если его надежность невысока, неизбежно будут частые поломки, что мешает нормальному полету и увеличивает расходы на ремонт; это даже может привести к серьезным авариям. Надежность продукта измеряется показателем надежности R(t). Определение надежности: вероятность того, что продукт сможет выполнять свои функции в заданных условиях и в течение установленного времени. Надежность — функция времени. Имеется набор из n одинаковых продуктов, которые начинают работать в момент t=0. С течением времени количество неисправных изделий no(t) увеличивается, а количество изделий, работающих нормально, ni(t) сокращается. На любой момент времени t надежность продукта составляет (3–20). Если надежность продукта после 3000 часов работы равна R(t)=0,96, это означает, что 96% продуктов смогут работать нормально более 3000 часов. Для конкретного изделия вероятность того, что оно будет работать 3000 часов, также составляет 96%. Показатель отказоустойчивости представляет собой вероятность того, что к моменту времени t продукт перестанет функционировать в течение единицы времени в следующем периоде. Математическое выражение для этого показателя приведено в формуле (3–21). После разделения переменных и интегрирования по обеим сторонам получаем формулу (3–22). Зависимость между показателем отказоустойчивости и временем для отдельных компонентов обычно показана на рисунке 3-13. Кривую эффективности можно определить с помощью экспериментального метода. Кривая отказов отражает ситуацию с отказами продукта в течение всего срока его службы. Из кривой отказа видно, что отказ в целом можно разделить на три этапа. Рисунок 3-15. На I этапе происходит раннее выход из строя; кривая имеет спадающий характер. В начальный период использования продукта уровень сбоев был высоким, но быстро снижался. Причины заключаются в основном в дефектах, возникающих в процессе проектирования, производства, хранения и транспортировки, а также в человеческих факторах, таких как неправильная настройка, пробный запуск и неправильное запускание устройства. Когда происходят эти сбои, вызванные врожденными дефектами, и работа оборудования постепенно возвращается к нормальному состоянию, частота сбоев становится стабильной. Следует приложить все усилия для предотвращения преждевременного износа деталей, сокращая время t0, отведенное на процессы неэффективной работы и преждевременного износа. Второй этап – это этап случайных сбоев, при котором частота сбоев медленно увеличивается. Сбои в основном вызываются случайными факторами, такими как непредвиденная перегрузка, ошибки в эксплуатации, неожиданные стихийные бедствия и т. д. Поскольку причины отказа в основном являются случайными, этот этап называется этапом случайного отказа. Снижение вероятности внезапных сбоев позволяет увеличить фактический срок службы; поэтому необходимо уделять внимание повышению качества продукции и тщательному её использованию и обслуживанию. Третий этап — это этап повреждения и выхода из строя, при котором коэффициент выхода из строя имеет растущую тенденцию. После t1 уровень сбоев значительно повышается. Это происходит из-за старения продукта, усталости, износа, крепирования, коррозии и других так называемых факторов износа, поэтому это называется сроком износного выхода из строя. Что касается причин сбоев на этом этапе, следует уделять внимание проверкам, мониторингу и т. д., а также проводить предварительный ремонт, чтобы уровень сбоев не рос. 7. Критерий точности. Для механических деталей, механизмов или устройств высокой точности требуется, чтобы их ошибки движения были меньше допустимых значений. Например, в точных машинах необходимо соблюдать определенные требования к точности: допуски на линейную ошибку направляющих, радиальную деформацию шпинделя, угловую погрешность зубчатых передач и т. д. В зависимости от функциональных требований к машинам и деталям можно выбрать соответствующие допуски и способы соединения, то есть осуществить проектирование с учетом точности, а также правильно указать это в чертежах. Также можно, исходя из допусков, указанных на чертеже детали, рассчитать погрешность механизма и сравнить её с требуемой точностью механизма.

1. Критерий прочности требует, чтобы рабочее напряжение механических деталей σ не превышало допустимого напряжения. Его типичная формула вычисления: (3-16) σlim — предельное напряжение; для хрупких материалов, находящихся под статическим напряжением, берется предел прочности, для пластичных материалов — предел пластичности, а для материалов, находящихся под переменным напряжением, — предел усталости. S — коэффициент безопасности. 2. Критерий жесткости. При воздействии нагрузок механические детали подвергаются упругой деформации. Жесткость – это способность материала, механической детали или конструкции сопротивляться деформации под действием внешних сил. Прочность материала определяется величиной внешней силы, необходимой для вызова у него единицы деформации. Прочность механических деталей зависит от их модуля упругости E или модуля сдвига G, геометрических форм и размеров, а также от способа воздействия внешних сил. Анализ жесткости механических деталей является важной задачей в проектировании машин. Для некоторых деталей, в которых необходимо строго ограничить деформации (таких как крылья, шпиндели станков и т. д.), необходимо использовать анализ жесткости для контроля деформаций. Нам также необходимо контролировать жесткость деталей, чтобы предотвратить вибрации или дестабилизацию. Кроме того, как и у пружин, необходимо контролировать их жесткость, чтобы она имела определенное разумное значение и обеспечивала выполнение соответствующих функций. Критерий жесткости предполагает, что уровень упругой деформации детали под действием нагрузки не должен превышать допустимого значения упругой деформации. Выражение критерия жесткости приведено в формуле (3–17). y — это величина упругой деформации, такая как изгиб, продольное удлинение (сокращение); а $y_{\text{доп}}$ — соответствующая допустимая величина упругой деформации. Размер упругой деформации детали может быть определен с помощью теоретических расчетов или экспериментальным путем. Допустимый размер деформации зависит от назначения детали и определяется на основе теоретического анализа или эмпирических данных. 3. Критерий термостойкости Из-за трения и других факторов во время работы машины температура её деталей и смазки обычно повышается. Чрезмерно высокая температура работы приведет к снижению эффективности смазки. Кроме того, это может вызвать тепловую деформацию деталей, снижение их твердости и прочности, а также их повреждение. При высоких температурах металлические механические детали могут склеиваться или заедать ； Неметаллические механические детали, такие как пластик, могут становиться более мягкими или даже плавиться; в некоторых случаях это может приводить к тепловым напряжениям. Критерий термостойкости заключается в том, чтобы температура работы механических деталей не превышала допустимых значений, что обеспечивает их нормальную работу. Этот критерий выражается формулой (3–18). Для улучшения способности к охлаждению и контроля за повышением температуры при необходимости можно использовать такие методы, как водяное или воздушное охлаждение. 4. Критерий стабильности колебаний. Когда частота возбуждения совпадает с естественной частотой объекта, амплитуда его колебаний достигает максимума. Чем больше разница между частотой возбуждения и естественной частотой, тем меньше становится амплитуда колебаний объекта. Когда частота возбуждения близка к естественной частоте объекта, амплитуда принудительных колебаний становится очень великой. Это явление называется резонансом. Стабильность вибрации — это способность механических деталей избегать резонанса во время работы машины. Для увеличения срока службы оборудования и предотвращения повреждения валов и самого оборудования необходимо проверять стабильность вибрации валов, особенно у оборудования, работающего на высоких скоростях. Критерий стабильности вибраций требует, чтобы собственная частота механических деталей отличалась от частоты возбуждения, что обеспечивает отсутствие резонанса. Пусть собственная частота колебаний детали машины, на которую оказывается воздействие, равна f, а частота воздействующей силы — fp. Обычно требуется, чтобы fp < 0,85 f или fp > 1,15 f (3–19). Изменяя жесткость и массу механических деталей, можно изменить их собственную частоту колебаний. Повышение жесткости механических деталей и снижение их массы для увеличения их собственной частоты ； Снижение жесткости механических деталей и увеличение их массы приводят к снижению их собственной частоты. Иногда, при работе машины, для предотвращения резонанса необходимо регулировать скорость вращения. Основная причина возникновения резонанса у вала заключается в том, что из-за неравномерного распределения массы внутри материала, а также из-за ошибок при производстве и монтаже, центр массы вала смещается относительно его оси вращения. При вращении вала возникают инерционные силы, которые заставляют ротор колебаться. Скорость оси при возникновении резонанса называется критической скоростью. При критической скорости частота этой инерционной силы равна или в несколько раз превышает собственную частоту ротора, в результате чего происходит резонанс. 5. Критерии срока службы. Для обеспечения нормальной работы машины в течение определенного срока ее службы при проектировании ее деталей необходимо устанавливать соответствующие требования к сроку их службы. Следует отметить, что в течение срока службы машины детали можно заменять; другими словами, срок службы некоторых механических деталей может быть меньше, чем срок службы самой машины. Срок службы механических деталей в основном определяется усталостью материала, износом и коррозией. Чтобы избежать отказов, вызванных усталостью деталей, таких как усталостное разрушение, необходимо рассчитывать прочность на усталость исходя из предела усталости, соответствующего сроку службы механической детали. То есть, исходя из требований к сроку службы и учитывая такие факторы, как скорость вращения детали, с помощью формулы (3-6) вычисляется предел усталости при количестве циклов напряжений N. Затем этот показатель подставляется в условия прочности для расчета прочности на усталость. При соблюдении требований к прочности при усталости можно гарантировать, что количество циклов напряжений до разрушения механической детали будет соответствовать требуемому сроку службы. Износ обычно неизбежен. При определенных условиях коррозия также неизбежна, например, коррозия конструктивных элементов мостов и закопанных стальных труб. При проектировании основная цель — обеспечить такое состояние механических деталей в течение всего срока их службы, чтобы не происходило чрезмерного износа и коррозии. Механизм возникновения износа до сих пор не полностью понятен, к тому же на него влияет множество факторов. Обычно для повышения износостойкости фрикционных пар используются принципы трибологического проектирования. Основные меры включают: разумный выбор материалов для фрикционных пар ； Разумный выбор смазки и добавок ； Контроль условий работы фрикционных пар, таких как давление, скорость скольжения и прирост температуры. На сегодняшний день не существует практических и эффективных методов расчета срока службы материалов под действием коррозии; обычно принимаются меры, связанные с выбором материалов и их защитой от коррозии. При использовании материалов, устойчивых к коррозии, применяются такие методы обработки, как покрытие поверхности, распыление и фосфатирование. 6. Критерии надежности. Надежность – это способность продукта выполнять свои функции в заданных условиях и в течение определенного времени. Качество продукта обычно должно включать показатели производительности и надежности. Показатели производительности механических изделий — это технические характеристики продукта, такие как мощность механизма, крутящий момент, рабочая сила, скорость работы и т. д. Если есть только показатели производительности, но нет показателей надежности, то и показатели производительности продукта не могут быть гарантированы. Например, у современного самолета, если его надежность невысока, неизбежно будут частые поломки, что мешает нормальному полету и увеличивает расходы на ремонт; это даже может привести к серьезным авариям. Надежность продукта измеряется показателем надежности R(t). Определение надежности: вероятность того, что продукт сможет выполнять свои функции в заданных условиях и в течение установленного времени. Надежность — функция времени. Имеется набор из n одинаковых продуктов, которые начинают работать в момент t=0. С течением времени количество неисправных изделий no(t) увеличивается, а количество изделий, работающих нормально, ni(t) сокращается. На любой момент времени t надежность продукта составляет (3–20). Если надежность продукта после 3000 часов работы равна R(t)=0,96, это означает, что 96% продуктов смогут работать нормально более 3000 часов. Для конкретного изделия вероятность того, что оно будет работать 3000 часов, также составляет 96%. Показатель отказоустойчивости представляет собой вероятность того, что к моменту времени t продукт перестанет функционировать в течение единицы времени в следующем периоде. Математическое выражение для этого показателя приведено в формуле (3–21). После разделения переменных и интегрирования по обеим сторонам получаем формулу (3–22). Зависимость между показателем отказоустойчивости и временем для отдельных компонентов обычно показана на рисунке 3-13. Кривую эффективности можно определить с помощью экспериментального метода. Кривая отказов отражает ситуацию с отказами продукта в течение всего срока его службы. Из кривой отказа видно, что отказ в целом можно разделить на три этапа. Рисунок 3-15. На I этапе происходит раннее выход из строя; кривая имеет спадающий характер. В начальный период использования продукта уровень сбоев был высоким, но быстро снижался. Причины заключаются в основном в дефектах, возникающих в процессе проектирования, производства, хранения и транспортировки, а также в человеческих факторах, таких как неправильная настройка, пробный запуск и неправильное запускание устройства. Когда происходят эти сбои, вызванные врожденными дефектами, и работа оборудования постепенно возвращается к нормальному состоянию, частота сбоев становится стабильной. Следует приложить все усилия для предотвращения преждевременного износа деталей, сокращая время t0, отведенное на процессы неэффективной работы и преждевременного износа. Второй этап – это этап случайных сбоев, при котором частота сбоев медленно увеличивается. Сбои в основном вызываются случайными факторами, такими как непредвиденная перегрузка, ошибки в эксплуатации, неожиданные стихийные бедствия и т. д. Поскольку причины отказа в основном являются случайными, этот этап называется этапом случайного отказа. Снижение вероятности внезапных сбоев позволяет увеличить фактический срок службы; поэтому необходимо уделять внимание повышению качества продукции и тщательному её использованию и обслуживанию. Третий этап — это этап повреждения и выхода из строя, при котором коэффициент выхода из строя имеет растущую тенденцию. После t1 уровень сбоев значительно повышается. Это происходит из-за старения продукта, усталости, износа, крепирования, коррозии и других так называемых факторов износа, поэтому это называется сроком износного выхода из строя. Что касается причин сбоев на этом этапе, следует уделять внимание проверкам, мониторингу и т. д., а также проводить предварительный ремонт, чтобы уровень сбоев не рос. 7. Критерий точности. Для механических деталей, механизмов или устройств высокой точности требуется, чтобы их ошибки движения были меньше допустимых значений. Например, в точных машинах необходимо соблюдать определенные требования к точности: допуски на линейную ошибку направляющих, радиальную деформацию шпинделя, угловую погрешность зубчатых передач и т. д. В зависимости от функциональных требований к машинам и деталям можно выбрать соответствующие допуски и способы соединения, то есть осуществить проектирование с учетом точности, а также правильно указать это в чертежах. Также можно, исходя из допусков, указанных на чертежах деталей, рассчитать погрешности механизма и сравнить их с требуемой точностью механизма

1. Критерий прочности 2. Критерий жесткости 3. Критерий термостойкости 4. Критерий вибрационной стабильности 5. Критерий срока службы 6. Критерий надежности 7. Критерий точности

1. Критерий прочности. Требуется, чтобы рабочее напряжение механических деталей σ не превышало допустимого напряжения. 2. Критерий жесткости. Механические детали при воздействии нагрузок подвергаются упругой деформации; прочность – это способность материала, механической детали или конструкции сопротивляться деформации под действием внешних сил. Прочность материала определяется величиной внешней силы, необходимой для вызова у него единицы деформации. 3. Критерий термостойкости. Из-за трения и других причин во время работы машины температура её деталей и смазки обычно повышается. Чрезмерно высокая температура работы приведет к снижению эффективности смазки. Кроме того, это может вызвать тепловую деформацию деталей, снижение их твердости и прочности, а также их повреждение. При высоких температурах металлические механические детали могут склеиваться или заедать ； Неметаллические механические детали, такие как пластик, могут становиться более мягкими или даже плавиться; в некоторых случаях это может приводить к тепловым напряжениям. Критерий термостойкости заключается в том, чтобы температура работы механических деталей не превышала допустимых значений, что обеспечивает их нормальную работу. Для улучшения эффективности охлаждения и контроля за повышением температуры при необходимости могут применяться такие методы, как водяное или воздушное охлаждение. 4. Критерий стабильности колебаний. Когда частота возбуждения совпадает с естественной частотой объекта, амплитуда его колебаний достигает максимума. Чем больше разница между частотой возбуждения и естественной частотой, тем меньше становится амплитуда колебаний объекта. Когда частота возбуждения близка к естественной частоте объекта, амплитуда принудительных колебаний становится очень великой. Это явление называется резонансом. Стабильность вибрации — это способность механических деталей избегать резонанса во время работы машины. 5. Критерий срока службы. Чтобы обеспечить нормальную работу машины в течение определенного срока ее службы, при проектировании ее деталей неизбежно необходимо устанавливать требования к сроку их службы. Следует отметить, что в течение срока службы машины детали можно заменять; другими словами, срок службы некоторых механических деталей может быть меньше, чем срок службы самой машины. Срок службы механических деталей в основном определяется усталостью материала, износом и коррозией. 6. Критерии надежности. Надежность — это способность продукта выполнять свои функции в заданных условиях и в течение определенного времени. Качество продукта обычно должно включать показатели производительности и надежности. Показатели производительности механических изделий — это технические характеристики продукта, такие как мощность механизма, крутящий момент, рабочая сила, скорость работы и т. д. Если есть только показатели производительности, но нет показателей надежности, то и показатели производительности продукта не могут быть гарантированы. 7. Критерий точности. Для механических деталей, механизмов или устройств высокой точности требуется, чтобы их погрешности движения были меньше допустимых значений. Например, в точных машинах необходимо соблюдать определенные требования к точности: допуски на линейную ошибку направляющих, радиальную деформацию шпинделя, угловую погрешность зубчатых передач и т. д. В зависимости от функциональных требований к машинам и деталям можно выбрать соответствующие допуски и способы соединения, то есть осуществить проектирование с учетом точности, а также правильно указать это в чертежах. Также можно, исходя из допусков, указанных на чертеже детали, рассчитать погрешность механизма и сравнить её с требуемой точностью механизма.

1. Критерий прочности требует, чтобы рабочее напряжение механических деталей σ не превышало допустимого напряжения. Его типичная формула расчета: http://jpkc.tjpu.edu.cn/2007/jxsj/cool/jishe/3.3.2.files/image002.gif (3-16). σlim – предельное напряжение: для хрупких материалов, находящихся под статическим напряжением, берется предел прочности; для пластичных материалов – предел пластичности; для материалов, находящихся под переменным напряжением, – предел усталости. S — коэффициент безопасности. 2. Критерий жесткости. При воздействии нагрузок механические детали подвергаются упругой деформации. Жесткость – это способность материала, механической детали или конструкции сопротивляться деформации под действием внешних сил. Прочность материала определяется величиной внешней силы, необходимой для вызова у него единицы деформации. Прочность механических деталей зависит от их модуля упругости E или модуля сдвига G, геометрических форм и размеров, а также от способа воздействия внешних сил. Анализ жесткости механических деталей является важной задачей в проектировании машин. Для некоторых деталей, в которых необходимо строго ограничить деформации (таких как крылья, шпиндели станков и т. д.), необходимо использовать анализ жесткости для контроля деформаций. Нам также необходимо контролировать жесткость деталей, чтобы предотвратить вибрации или дестабилизацию. Кроме того, как и у пружин, необходимо контролировать их жесткость, чтобы она имела определенное разумное значение и обеспечивала выполнение соответствующих функций. Критерий жесткости предполагает, что уровень упругой деформации детали под действием нагрузки не должен превышать допустимого значения упругой деформации. Формула критерия жесткости приведена по адресу: http://jpkc.tjpu.edu.cn/2007/jxsj/cool/jishe/3.3.2.files/image006.gif (3–17). y – это величина упругой деформации, такая как изгиб или продольное удлинение (сокращение); это соответствует допустимой величине упругой деформации. Размер упругой деформации детали может быть определен с помощью теоретических расчетов или экспериментальным путем. Допустимый размер деформации зависит от назначения детали и определяется на основе теоретического анализа или эмпирических данных. 3. Критерий термостойкости Из-за трения и других факторов во время работы машины температура её деталей и смазки обычно повышается. Чрезмерно высокая температура работы приведет к снижению эффективности смазки. Кроме того, это может вызвать тепловую деформацию деталей, снижение их твердости и прочности, а также их повреждение. При высоких температурах металлические механические детали могут склеиваться или заедать ； Неметаллические механические детали, такие как пластик, могут становиться более мягкими или даже плавиться; в некоторых случаях это может приводить к тепловым напряжениям. Критерий термостойкости заключается в том, чтобы температура работы механических деталей не превышала допустимых значений, что обеспечивает их нормальную работу. Формула для расчета этого показателя приведена по адресу: http://jpkc.tjpu.edu.cn/2007/jxsj/cool/jishe/3.3.2.files/image008.gif (3–18). Для улучшения способности к охлаждению и контроля за повышением температуры при необходимости можно использовать такие методы, как водяное или воздушное охлаждение. 4. Критерий стабильности колебаний. Когда частота возбуждения совпадает с естественной частотой объекта, амплитуда его колебаний достигает максимума. Чем больше разница между частотой возбуждения и естественной частотой, тем меньше становится амплитуда колебаний объекта. Когда частота возбуждения близка к естественной частоте объекта, амплитуда принудительных колебаний становится очень великой. Это явление называется резонансом. Стабильность вибрации — это способность механических деталей избегать резонанса во время работы машины. Для увеличения срока службы оборудования и предотвращения повреждения валов и самого оборудования необходимо проверять стабильность вибрации валов, особенно у оборудования, работающего на высоких скоростях. Критерий стабильности вибраций требует, чтобы собственная частота механических деталей отличалась от частоты возбуждения, что обеспечивает отсутствие резонанса. Пусть собственная частота колебаний детали машины, на которую оказывается воздействие, равна f, а частота воздействующей силы — fp. Обычно требуется, чтобы fp < 0,85 f или fp > 1,15 f (3–19). Изменяя жесткость и массу механических деталей, можно изменить их собственную частоту колебаний. Повышение жесткости механических деталей и снижение их массы для увеличения их собственной частоты ； Снижение жесткости механических деталей и увеличение их массы приводят к снижению их собственной частоты. Иногда, при работе машины, для предотвращения резонанса необходимо регулировать скорость вращения. Основная причина возникновения резонанса у вала заключается в том, что из-за неравномерного распределения массы внутри материала, а также из-за ошибок при производстве и монтаже, центр массы вала смещается относительно его оси вращения. При вращении вала возникают инерционные силы, которые заставляют ротор колебаться. Скорость оси при возникновении резонанса называется критической скоростью. При критической скорости частота этой инерционной силы равна или в несколько раз превышает собственную частоту ротора, в результате чего происходит резонанс. 5. Критерии срока службы. Для обеспечения нормальной работы машины в течение определенного срока ее службы при проектировании ее деталей необходимо устанавливать соответствующие требования к сроку их службы. Следует отметить, что в течение срока службы машины детали можно заменять; другими словами, срок службы некоторых механических деталей может быть меньше, чем срок службы самой машины. Срок службы механических деталей в основном определяется усталостью материала, износом и коррозией. Чтобы избежать отказов, вызванных усталостью деталей, таких как усталостное разрушение, необходимо рассчитывать прочность на усталость исходя из предела усталости, соответствующего сроку службы механической детали. То есть, исходя из требований к сроку службы и учитывая такие факторы, как скорость вращения детали, с помощью формулы (3-6) вычисляется предел усталости при количестве циклов напряжений N. Затем этот показатель подставляется в условия прочности для расчета прочности на усталость. При соблюдении требований к прочности при усталости можно гарантировать, что количество циклов напряжений до разрушения механической детали будет соответствовать требуемому сроку службы. Износ обычно неизбежен. При определенных условиях коррозия также неизбежна, например, коррозия конструктивных элементов мостов и закопанных стальных труб. При проектировании основная цель — обеспечить такое состояние механических деталей в течение всего срока их службы, чтобы не происходило чрезмерного износа и коррозии. Механизм возникновения износа до сих пор не полностью понятен, к тому же на него влияет множество факторов. Обычно для повышения износостойкости фрикционных пар используются принципы трибологического проектирования. Основные меры включают: разумный выбор материалов для фрикционных пар ； Разумный выбор смазки и добавок ； Контроль условий работы фрикционных пар, таких как давление, скорость скольжения и прирост температуры. На сегодняшний день не существует практических и эффективных методов расчета срока службы материалов под действием коррозии; обычно принимаются меры, связанные с выбором материалов и их защитой от коррозии. При использовании материалов, устойчивых к коррозии, применяются такие методы обработки, как покрытие поверхности, распыление и фосфатирование. 6. Критерии надежности. Надежность – это способность продукта выполнять свои функции в заданных условиях и в течение определенного времени. Качество продукта обычно должно включать показатели производительности и надежности. Показатели производительности механических изделий — это технические характеристики продукта, такие как мощность механизма, крутящий момент, рабочая сила, скорость работы и т. д. Если есть только показатели производительности, но нет показателей надежности, то и показатели производительности продукта не могут быть гарантированы. Например, у современного самолета, если его надежность невысока, неизбежно будут частые поломки, что мешает нормальному полету и увеличивает расходы на ремонт; это даже может привести к серьезным авариям. Надежность продукта измеряется показателем надежности R(t). Определение надежности: вероятность того, что продукт сможет выполнять свои функции в заданных условиях и в течение установленного времени. Надежность — функция времени. Имеется набор из n одинаковых продуктов, которые начинают работать в момент t=0. С течением времени количество неисправных единиц no(t) увеличивается, а количество функционирующих единиц ni(t) сокращается. Надежность продукта в любой момент времени t определяется по формуле http://jpkc.tjpu.edu.cn/2007/jxsj/cool/jishe/3.3.2.files/image010.gif (3–20). Если надежность продукта после 3000 часов работы равна R(t)=0,96, это означает, что 96% продуктов могут функционировать нормально более 3000 часов. Для конкретного продукта вероятность того, что он будет функционировать 3000 часов, составляет 96%. Показатель отказности означает вероятность того, что к моменту времени t продукт перестанет функционировать в течение единицы времени в следующем периоде. Математическое выражение для этого показателя приведено на сайте http://jpkc.tjpu.edu.cn/2007/jxsj/cool/jishe/3.3.2.files/image016.gif (3–21). После разделения переменных и интегрирования с обеих сторон получаем http://jpkc.tjpu.edu.cn/2007/jxsj/cool/jishe/3.3.2.files/image018.gif; далее – http://jpkc.tjpu.edu.cn/2007/jxsj/cool/jishe/3.3.2.files/image020.gif (3–22). Зависимость отказности компонентов от времени обычно представлена на рисунке 3-13. Кривую эффективности можно определить с помощью экспериментального метода. Кривая отказов отражает ситуацию с отказами продукта в течение всего срока его службы. Из кривой отказа видно, что отказ в целом можно разделить на три этапа. http://jpkc.tjpu.edu.cn/2007/jxsj/cool/jishe/3.3.2.files/image022.gif Рисунок 3-15. На первом этапе происходит раннее выход из строя; кривая имеет спадающий характер. В начальный период использования продукта уровень сбоев был высоким, но быстро снижался. Причины заключаются в основном в дефектах, возникающих в процессе проектирования, производства, хранения и транспортировки, а также в человеческих факторах, таких как неправильная настройка, пробный запуск и неправильное запускание устройства. Когда происходят эти сбои, вызванные врожденными дефектами, и работа оборудования постепенно возвращается к нормальному состоянию, частота сбоев становится стабильной. Следует приложить все усилия для предотвращения преждевременного износа деталей, сокращая время t0, отведенное на процессы неэффективной работы и преждевременного износа. Второй этап – это этап случайных сбоев, при котором частота сбоев медленно увеличивается. Сбои в основном вызываются случайными факторами, такими как непредвиденная перегрузка, ошибки в эксплуатации, неожиданные стихийные бедствия и т. д. Поскольку причины отказа в основном являются случайными, этот этап называется этапом случайного отказа. Снижение вероятности внезапных сбоев позволяет увеличить фактический срок службы; поэтому необходимо уделять внимание повышению качества продукции и тщательному её использованию и обслуживанию. Третий этап — это этап повреждения и выхода из строя, при котором коэффициент выхода из строя имеет растущую тенденцию. После t1 уровень сбоев значительно повышается. Это происходит из-за старения продукта, усталости, износа, крепирования, коррозии и других так называемых факторов износа, поэтому это называется сроком износного выхода из строя. Что касается причин сбоев на этом этапе, следует уделять внимание проверкам, мониторингу и т. д., а также проводить предварительный ремонт, чтобы уровень сбоев не рос. 7. Критерий точности. Для механических деталей, механизмов или устройств высокой точности требуется, чтобы их ошибки движения были меньше допустимых значений. Например, в точных машинах необходимо соблюдать определенные требования к точности: допуски на линейную ошибку направляющих, радиальную деформацию шпинделя, угловую погрешность зубчатых передач и т. д. В зависимости от функциональных требований к машинам и деталям можно выбрать соответствующие допуски и способы соединения, то есть осуществить проектирование с учетом точности, а также правильно указать это в чертежах. Также можно, исходя из допусков, указанных на чертеже детали, рассчитать погрешность механизма и сравнить её с требуемой точностью механизма.

Ужас, зачем эти секреты? Тема «Основные принципы проектирования механических деталей» слишком обширна, её вряд ли можно рассмотреть за несколько слов. Основные аспекты: 1. Максимальная стандартизация, 2. Механические и химические свойства деталей должны соответствовать установленным требованиям. 3. При достижении требований к использованию следует максимально сократить требования к обработке. 4. Учет затрат: при соблюдении требований следует использовать материалы с максимально низкой стоимостью. Подождите

1. Критерий прочности. Требуется, чтобы рабочее напряжение механических деталей σ не превышало допустимого напряжения. 2. Критерий жесткости. Механические детали при воздействии нагрузок подвергаются упругой деформации; прочность – это способность материала, механической детали или конструкции сопротивляться деформации под действием внешних сил. Прочность материала определяется величиной внешней силы, необходимой для вызова у него единицы деформации. 3. Критерий термостойкости. Из-за трения и других причин во время работы машины температура её деталей и смазки обычно повышается. Чрезмерно высокая температура работы приведет к снижению эффективности смазки. Кроме того, это может вызвать тепловую деформацию деталей, снижение их твердости и прочности, а также их повреждение. При высоких температурах металлические механические детали могут склеиваться или заедать ； Неметаллические механические детали, такие как пластик, могут становиться более мягкими или даже плавиться; в некоторых случаях это может приводить к тепловым напряжениям. Критерий термостойкости заключается в том, чтобы температура работы механических деталей не превышала допустимых значений, что обеспечивает их нормальную работу. Для улучшения эффективности охлаждения и контроля за повышением температуры при необходимости могут применяться такие методы, как водяное или воздушное охлаждение. 4. Критерий стабильности колебаний. Когда частота возбуждения совпадает с естественной частотой объекта, амплитуда его колебаний достигает максимума. Чем больше разница между частотой возбуждения и естественной частотой, тем меньше становится амплитуда колебаний объекта. Когда частота возбуждения близка к естественной частоте объекта, амплитуда принудительных колебаний становится очень великой. Это явление называется резонансом. Стабильность вибрации — это способность механических деталей избегать резонанса во время работы машины. 5. Критерий срока службы. Чтобы обеспечить нормальную работу машины в течение определенного срока ее службы, при проектировании ее деталей неизбежно необходимо устанавливать требования к сроку их службы. Следует отметить, что в течение срока службы машины детали можно заменять; другими словами, срок службы некоторых механических деталей может быть меньше, чем срок службы самой машины. Срок службы механических деталей в основном определяется усталостью материала, износом и коррозией. 6. Критерии надежности. Надежность — это способность продукта выполнять свои функции в заданных условиях и в течение определенного времени. Качество продукта обычно должно включать показатели производительности и надежности. Показатели производительности механических изделий — это технические характеристики продукта, такие как мощность механизма, крутящий момент, рабочая сила, скорость работы и т. д. Если есть только показатели производительности, но нет показателей надежности, то и показатели производительности продукта не могут быть гарантированы. 7. Критерий точности. Для механических деталей, механизмов или устройств высокой точности требуется, чтобы их погрешности движения были меньше допустимых значений. Например, в точных машинах необходимо соблюдать определенные требования к точности: допуски на линейную ошибку направляющих, радиальную деформацию шпинделя, угловую погрешность зубчатых передач и т. д. В зависимости от функциональных требований к машинам и деталям можно выбрать соответствующие допуски и способы соединения, то есть осуществить проектирование с учетом точности, а также правильно указать это в чертежах. Также можно, исходя из допусков, указанных на чертеже детали, рассчитать погрешность механизма и сравнить её с требуемой точностью механизма.

Последнее изменение в этом посте было сделано пользователем Черное золото 26.06.2011 в 08:37. 1. Критерий прочности. 2. Критерий жесткости. 3. Критерий термостойкости. 4. Критерий устойчивости к вибрациям. 5. Критерий срока службы. 6. Критерий надежности. 7. Критерий точности

1. Критерий статической прочности, 2. Критерий усталостной прочности, 3. Проектирование с учетом трибологических факторов, 4. Прочность, 5. Надежность.