Основные подходы к решению проблемы повышения надежности изделий машиннои приборостроения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 62-192.001.24(035)

В. И. Бутенко, Г. П. Деримьян, В. И. Косов, А. Д. Захарченко, А. А. Сущенко ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫ К РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ИЗДЕЛИЙ

Надежность современных машин и механизмов зависит от большого числа конструкторско-технологических факторов и условий эксплуатации. На кафедре механики выполнен ряд аналитических исследований, позволяющих сформулировать основные подходы и методы решения проблемы повышения надежности создаваемых машин и приборов как на стадии их проектирования, так и на этапах изготовления и эксплуатации.

Известно, что зубчатые передачи широко используются в электроприводах. При этом основным показателем работоспособности является вероятность их безопасной работы Р(1) в пределах данного отрезка времени 1. В теории надежности отказом называется событие, в результате которого происходит нарушение работоспособности системы. Критерием этого для зубчатой передачи является предельная величина бокового зазора ]пр, наступившего вследствие износа и определяемая соотношением

где Э - толщина по хорде зуба, в мм.

Технический ресурс зубчатой передачи 1’ в часах может быть определен из выражения

1, =------------- , (2)

а ■ Я (ш 1 + ш 2)

где а - коэффициент изнашиваемости зубчатых колес, который берется из справочных таблиц в зависимости от материала сопрягаемых зубчатых колес (например

ММ 2

для стали 40Х коэффициент а = 21,7 10-10 -----);

Н

К - суммарное давление, приходящееся на единицу рабочей ширины зубчатого Н

венца в —;

мм

ш1,ш2 - угловые скорости вращения сопрягаемых колес.

Вероятность безотказной работы Р(1), определяющая работоспособность зубчатой передачи в промежутке времени от ^ = 0 до 1 , будет равна

где а = 0,2 1’ - среднее квадратичное отклонение технического ресурса зубчатой

МАШИННО- И ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

Іпр — Зі

(1)

(3)

передачи.

В общем случае представленные формулы (1) - (3) могут быть также использованы при определении показателей надежности волновых передач, которые отличаются оригинальностью конструкции своих элементов и принципом работы. Однако следует отметить, что изученность многих вопросов, связанных с нагрузочной способностью, работоспособностью и надежностью волновых передач является в настоящее время недостаточной. И это несмотря на то, что параметры волновой передачи как и зубчатой рассчитываются по стандартным зависимостям. В связи с перспективностью широкого использования волновых передач в различных отраслях машиностроения в рамках настоящих исследований сформулированы основные вопросы определения нагрузочной способности, долговечности и надежности этих передач.

Как известно, способность системы выдерживать действие внешних факторов без недопущения перемещений ее точек при упругой деформации элементов системы называется жесткостью.

Эти условия необходимы для сохранения надежности механической системы, т.е. способности его выполнять заданные функции при сохранении своих эксплуатационных показателей в заданных пределах в течение заданного промежутка времени. Валы механизмов и машин подвергаются сложному напряженному состоянию, работая по самому опасному симметричному циклу. Использование пустотелых валов позволяет обеспечить надежную конструкцию машины или механизма и получить экономию материала. При замене сплошного вала пустотелым при одинаковой прочности, длине, материале и нагрузке, соблюдается условие Т______________________

Рсп Рп

при Wр сп = Wр пуст; w рот = 0,2с13 ; Wp = 0,2й3 (1-а4);

с13 = й3 (1-а4),

где с- диаметр сплошного вала;

й - наружный диаметр пустотелого вала;

а = — - отношение внутреннего диаметра пустотелого вала к наружному диаметру этого же вала.

Тогда

й = , ^ , а = —. Обычно а = 0,6 ^ 0,8.

з1г-а^ в ■ ■

С проблемой повышения надежности изделий в машино- и приборостроении тесно связан вопрос о предопределенном движении мочки известной массы, совершающей колебательное движение известного периода и орбитальное движение по статической

окружности. Объектом исследований в данном случае может стать маятниковый замкнутодифференциальный механизм. Для исследования предлагается использовать геометрическую модель теоремы Эйлера-Даламбера. При этом сложное трехстепенное движение заменяется на сферическое движение гиромассы относительно ее мгновенной оси вращения. По результатам выполненных исследований предполагается существенное снижение силовых влияний на такие информационные источники, как датчики механических величин.

Решение проблемы повышения надежности изделий в машино- и приборостроении непрерывно связано с повышением конструкционной прочности материалов. Этого можно достичь, например, путем формирования заданной релаксационной стойкости

дислокационной структуры металлов и сплавов. Современная теория дислокаций дает следующую зависимость между пределом текучести материала ат и плотностью дислокации р:

ат = а 0 +а- Ьк ■ О , (5)

где а0 - напряжение внутри деформированного материала;

а - коэффициент, учитывающий вклад разных механизмов торможения дислокаций в материале;

Ьк - вектор Бюргерса;

О - модуль сдвига.

Исходя из зависимости (5) и приняв р = кр ■ рисх + Ар (здесь кр - показатель дислокационной насыщенности конструкционного материала; рисх - исходная плотность

дислокаций материала; Ар - показатель релаксационной стойкости дислокационной

структуры), получим формулы для определения модуля упругости Е и модуля сдвига О:

е 2(1 + у)(а т-а 0) (6)

Е =-------. — (6)

а- Ьк ■ук р ■р исх +Ар

О =-------°т -а 0 (7)

а Ьк ■д/кр ■рисх +Ар

Исследованиями установлено, что конструкционная прочность материала находится в сложной зависимости от показателя релаксационной стойкости дислокационной структуры Ар, выражаемой дробно-рациональной функцией. Особую значимость на конструкционную прочность материалов оказывает показатель дислокационной насыщенности кр: максимальные значения предела прочности материала 50 и предела текучести 5т достигаются при достижении оптимальной величины показателя дислокационной насыщенности (кр)опт.

Разработаны технологические методы достижения в материале поверхностного слоя обрабатываемой детали оптимальной величины показателя дислокационной насыщенности (кр)опт , среди которых наиболее перспективными являются абразивная доводка текстолитовыми притирами, термоупрочняющая обработка стали в магнитном поле, использование комбинированных инструментов и другие. Установлена также зона стабильности дислокационной структуры материала, в которой величина Ар принимает максимальные значения. Для каждого материала эта зона своя, однако существует функциональная связь между Ар и кр, из которой следует, что зона стабильности дислокационной структуры соответствует (кр)опт = 80... 100 для сталей с

объемноцентрированной кубической кристаллической решеткой и (кр)опт = 100... 120 для сталей с гранецентрированной кубической кристаллической решеткой.

Таким образом, выявлены и сформулированы основные конструкторско-технологические подходы к решению проблемы повышения надежности изделий в машино-и приборостроении, которое после их тщательного изучения и практической апробации найдут применение при обеспечении требуемой надежности и долговечности машин и механизмов.