Вероятность безотказной работы

2. Нагрузки в машинах

Нагрузки в машинах во многом определяют их надежность и долговечность. Нагрузки могут быть: · полезными – используются для совершения производственного процесса; · вредными – неизбежно сопутствуют работе машины и в основном складываются из динамических нагрузок и местных или кромочных нагрузок, связанных с концентрацией нагрузки по поверхности контакта. По характеру изменения во времени нагрузки в машинах делятся на постоянные и переменные. Постоянные – это в основном силы тяжести, нагрузки от начальной затяжки, от постоянного давления жидкости и т.п. Влияние этих нагрузок на надежность работы машин может проявляться различно. Так, например, наблюдаются случаи разрыва болтов, особенно малого диаметра, при затяжке, выдавливания ямок на дорожках качения подшипников и т.п. Переменность нагрузок в машинах может объясняться неравномерностью рабочего процесса (поршневой привод, как правило, обеспечивает холостой ход без нагрузки); внутренней динамикой (пуск, торможение, реверсирование, неуравновешенность, ошибки изготовления) и т.п. Перечисленные изменения нагрузок вызывают колебания в системах, приводят к возникновению автоколебаний и динамической неустойчивости. Переменные нагрузки в большинстве своем бывают нестандартными, то есть нагрузками с меняющимися параметрами (в первую очередь с меняющейся амплитудой). Подавляющее большинство машин работает при нестационарных режимах, например, переменность нагрузок автомобиля: загрузка автомобиля (с грузом, без груза); рельеф местности (гора, равнина, под гору); вид и качество дорожного покрытия (грунт, асфальт); разная скорость движения (разгон, остановка); квалификация водителя. Каждый из этих факторов может изменять нагрузку в несколько раз. Машин, работающих с постоянными режимами нагружения, очень мало. К ним можно отнести машины центральных и насосных станций, транспортные машины при работе на длинных линиях (автофургоны). Для многих технологических машин известна обобщающая информация о нагрузках и их распределении во времени. В общем случае переменными являются как амплитуда нагрузок, так и среднее значение нагрузок и напряжений. Разработаны типовые методики получения данных об изменении действия нагрузок во времени для различного типа машин. Часто для этого используют самопишущие ваттметры, регистрирующие время работы в каждой части диапазона мощностей. Оценка закона распределения нагрузок во времени представляет статистическую задачу. Например, универсальные машины создают на неопределенного потребителя и неизвестные условия эксплуатации, кроме того, законы распределения, изученные статистически на действующих машинах, для новых машин могут быть вероятностными. Порядок оценки распределения нагрузок во времени работы машины может быть следующим: · на основании результатов наблюдений строят кривую относительного числа циклов нагружения n/N как функцию нагрузки x=p/P_max (рис. 6).

Рис. 6. Кривая относительного изменения нагрузки Для вновь создаваемых машин эту функцию можно рассматривать как плотность вероятности (плотность распределения) f(x); · затем строят функцию распределения F(x) (рис. 7), причем функции F(x) и f(x) связаны известным соотношением f(x)=F^’(x). Функция f(x) показывает вероятность работы с каждым значением нагрузки, а площадь, очерчиваемая кривой функции распределения, равна единице.

Рис. 7. Функция распределения Распределение нагрузок для разных машин сводят к четырем известным типовым, хорошо изученным в математике кривым (рис. 8), которые определяют следующие режимы работы: СР – средний равновероятностный, T (или b-распределение – тяжелый), С(н) – средний нормальный (Гауссово распределение), Л (или g-распределение) – легкий. Функция вероятности распределения нагрузок для каждого из них известна. Так, для кривой С(н) она равна: F(x) = (1/s√2π)•∫℮^-(^x^-^x^¯)2/2^S²dx,

где x = 0,5 X_max, s = 0,2 X_max. Многочисленные исследования нагрузок, возникающих при эксплуатации машин, позволяют сделать следующий вывод: режим работы С(н) характерен для большинства универсального оборудования; режим СР – для более интенсивно эксплуатируемого специализированного оборудования; режим Т – для горного оборудования.

Рис. 8. Типовые (расчетные) режимы работы машин Динамические нагрузки всегда возникают при работе машины. Большинство машин работает в условиях прерывистого рабочего процесса, и динамические нагрузки неизбежно связаны с разгоном, торможением и реверсированием. Все механизмы возвратно-поступательного и периодического движения (кривошипно-ползунные, кулисные) работают в динамическом режиме нагрузок. Большинство динамических нагрузок возникает из-за недостаточной уравновешенности быстровращающихся деталей. Так, смещение на 0,1 мм центра тяжести от оси вращения ротора, вращающегося со скоростью n=3000 об/мин, приводит к возникновению центробежной вращающейся силы, равной силе тяжести ротора, действие которой многократно опаснее действия самой силы тяжести. При вращении вала на подшипниках скольжения возникает нестабильная работа (вал “плавает”, возможны вибрации), а при установке валов на подшипниках качения без натяга возникает проскальзывание тел качения, повышается износ. Некоторые машины, работающие в зарезонансной области, при разгоне и остановке проходят резонансные зоны. При зависимости момента на валу привода от частоты вращения может возникнуть возрастание моментов при прохождении через зоны резонансов, что необходимо учитывать при расчете деталей на усталость. В прямозубых передачах вход в зацепление вызывает ударные нагрузки, определяемые упругостью зуба (упругая деформация и погрешность основного шага). Кроме того, знакопеременность силы трения при прохождении зуба через полюс зацепления вызывает динамические нагрузки. Динамическая неустойчивость ременных передач объясняется биением шкивов, неоднородностью ремня, крутильными колебаниями шкивов при малых скоростях ремней. В валах с подшипниками качения переменная жесткость подшипников по углу поворота может вызвать вибрации. При расчетах колебаний приводов машин необходимо учитывать упругость и демпфирование электромагнитной связи между статором и ротором приводного двигателя, так как электродвигатели представляют собой мощные демпферы.

2.1. Методы снижения нагрузок

Статические нагрузки определяются силой веса конструкции (машин), начальной затяжкой резьбовых соединений, влиянием температурных деформаций. Нагрузки от массовых сил естественно снижать применением более прочных материалов, т.к. масса детали пропорциональна квадрату допустимого напряжения. Силы начальной затяжки резьбовых соединений необходимо тщательно контролировать, используя динамометрические и предельные ключи. Сложность контроля состоит в том, что коэффициент трения неодинаков, а зазор в резьбе при нагружении витков меняется по высоте гайки. Поэтому использование механизированных гайковертов как вариант повышает надежность обеспечения статической нагрузки в резьбах. Уменьшение действия динамических сил возможно путем уменьшения внешнего возмущения, совершенствования схемы машины и уменьшения действия внутренних возмущений, применения антивибрационных устройств. Рассмотрим некоторые примеры повышения надежности машин уменьшением действия динамических нагрузок.

2.1.1. Уменьшение внешнего воздействия

Наиболее универсальным приемом при конструировании машин является применение привода с непрерывным рабочим процессом, снижающим динамические нагрузки в кинематических цепях. Например, переход от поршневого привода к турбинному, от ковшовых экскаваторов к роторным. Но не всегда схема машины должна быть подчинена только идее снижения динамических нагрузок. Широко используются в приводах исполнительных движений двигатели постоянного тока, обеспечивающие плавный пуск машин. При использовании асинхронных двигателей плавный пуск может быть обеспечен за счет применения схем управления, позволяющих переключать соединение обмоток двигателя со “звезды” на “треугольник”. Совершенным средством плавного пуска машин является использование фрикционных муфт различного конструктивного исполнения. Однако при мгновенном включении муфты перегрузки могут достигать двойного номинального момента. Поэтому при конструировании узлов используют муфты трения, обеспечивающие плавность нарастания нагрузки при полном включении муфты. Это требование выполняется в механизмах сцепления автомобиля (рис. 9).

Рис. 9. Схема механизма сцепления автомобиля При переключении скорости выжимается сцепление и рычаги 10 через подшипник 7, систему рычагов 6 отводят нажимной диск 3 и диски сцепления 2, отключая движение от двигателя. Передача переключается. Затем плавно отпускается педаль сцепления, рычаги 10 и 6 под действием пружин 4 плавно возвращают нажимной диск сцепления в исходное положение, обеспечивая движение от маховика 1 на вал 9 коробки скоростей и дальше на ведущий мост автомобиля. При этом плавность движения автомобиля определяется плавностью прижатия фрикционных дисков 2.

2.1.2. Совершенствование схемы машины (уменьшение внутренних воздействий)

Внутренние возмущения от работы отдельных механизмов уменьшают повышением точности изготовления и сборки узлов, балансировкой вращающихся деталей, фланкированием зубьев цилиндрических передач и применением подшипников с большим числом тел качения. Большое внимание уделяется снижению автоколебаний при резании металлов путем использования опор с ориентированными осями жесткости в шпиндельных опорах металлорежущих станков. Значительна роль демпферов и амортизаторов при снижении динамических нагрузок в работающих машинах. На рис. 10 приведена схема зацепления колес цилиндрической зубчатой передачи 5. Уменьшение толщины зуба 3 при вершине 4 (фланкирование) обеспечивается корректировкой межосевого расстояния А при нарезании зубьев на колесе 1 – червячной фрезой 2. Фланкирование зубьев снижает динамические нагрузки до 30-45% и уровень шума на 3-4 децибела.

Рис. 10. Фланкирование зубьев колес Увеличение тел качения в подшипниках достигается заменой шариковых подшипников на роликовые, а последних – на игольчатые. На рис. 11 приведена схема резания при токарной обработке наружной цилиндрической поверхности. Толщина стружки t в основном определяет величину силы P и ее ориентацию относительно оси Z. Если создать в шпиндельной опоре (передней) систему с явно выраженными неравными жесткостями, то, ориентируя силу Р под углом a относительно оси максимальной жесткости C₁ системы, можно добиться безвибрационного резания, что снижает динамическое нагружение на опору и повышает качество обработки поверхности. Оптимальное значение угла a лежит в пределах 5-8 градусов.

Рис. 11. Упругая система с ориентированными осями жесткости при резании Схема стиральной машины типа СМА-4 показана на рис. 12. Стиральный барабан 2 имеет горизонтальную ось вращения, поэтому, особенно при отжиме белья, возникают значительные динамические нагрузки, которые воспринимаются и снижаются пружинами 4 и амортизаторами 3.

Рис. 12. Схема стиральной машины-автомата типа СМА-4 В стиральных машинах-полуавтоматах (рис. 13) снижение динамических нагрузок обеспечивается следующими конструктивными изменениями. Активатор 2 имеет вертикальную ось вращения и расположен на дне стирального бака, а отжимной барабан 3 имеет вертикальную ось вращения, что обеспечивает качественный отжим белья при сушке.

Рис. 13. Схема стиральной машины-полуавтомата

2.1.3. Применение специальных антивибрационных устройств

К устройствам, снижающим колебания и динамические нагрузки, относятся: маховики, инерционные массы, упругие элементы, упруго-демпфирующие элементы, демпферы, предохранительные устройства. Маховик, являясь аккумулятором энергии, повышает равномерность вращения и уменьшает динамическое воздействие в машине. Эффективность маховика повышается при расположении его на быстроходном валу и вблизи источника возмущения. Работу маховика рассмотрим на примере крутильной двухмассовой системы (рис.14).

Рис. 14. Двухмассовая крутильная система Пусть на маховик с моментом инерции

действует переменный момент М₀sinwt. Если вал рассматриваем как жесткий, то этот момент разделится между узлами системы пропорционально их моментам инерции Q₁ и Q₂. Тогда амплитуда переменного момента, который передается машине, M₁ равна:

М₁=М₀θ₁/(θ₁ + θ₂);

(24)

если маховика нет, то М₁=М₀; если θ₁=θ₂, то М₁=0,5М₀; если увеличить θ₂ до 3 θ₁, то М₁=0,25М₀ и т.д. Следовательно, увеличение массы маховика приводит к уменьшению динамической нагрузки на машину.

Наряду с маховиками для уменьшения передачи динамических нагрузок применяют инерционные массы, например в молотах в виде шаботов и массивных фундаментов. При резких ударных нагрузках введение инерционных масс особенно эффективно.

Упругие муфты резко снижают динамические воздействия в машине. В двухмассовой крутильной системе с упругой муфтой
(рис. 15) амплитуда переменного момента, передаваемая через упругий элемент,

М₁=М₀ θ₁m/(θ₁+ θ₂),

(25)

где m – коэффициент нарастания колебаний; для систем с малым внутренним трением

m=1/(w/r)²-1,

(26)

где w, r – круговые частоты возмущающих сил и крутильных колебаний системы.

Рис. 15. Двухмассовая крутильная система с упругой муфтой

Частоту r можно подбирать варьированием податливости муфты и момента инерции масс.

В приводах с упругой муфтой можно довести отношение w/r до 4-5; соответственно амплитуда момента, передаваемого машине, уменьшится в 15-24 раза.

Недостатком упругих муфт является возможность попадания системы в резонанс. Тогда коэффициент нарастания колебаний
m»2p/y, где y – коэффициент затухания колебаний, который при применении резин с повышенным демпфированием может быть доведен до значений 0,8-1,0. При резонансе амплитуда передаваемого момента определится:

М₁=М₀ θ₁m/(θ₁+ θ₂).

(27)

При y = 1,0 m = 2p / y=2p / 1,0 = 2p. Тогда при θ₁= θ₂. М₁=М₀ θ₁2p/2 θ₁»3.

Следовательно, при резонансе амплитуда момента, передаваемого машине, увеличивается. Это необходимо учитывать при эксплуатации машин.

Существенный эффект от введения упругих муфт известен также из практики. Так, в тяжелых самосвалах благодаря муфтам долговечность трансмиссии была повышена в несколько раз.

Упругие элементы в машинах, в частности упругие муфты, обычно одновременно выполняют функцию демпфирования колебаний. Энергия рассеивается внутренним или внешним трением.

В первом случае для упругого элемента применяют материалы с малым модулем упругости и с большим внутренним трением, то есть резину или пластические массы типа эластиков. Резины с повышенным демпфированием из бутилкаучука (БК6, БК7) имеют логарифмический декремент 0,9-1,2. Элементы изготавливают простой формы (муфты с неметаллическим упругим элементом, резинометаллические виброизолирующие опоры).

Во втором случае упругий элемент выполняется многослойным с большим трением между слоями: пластинчатые рессоры, пакеты тарельчатых пружин и т.д. Пластинчатые рессоры, применяемые в транспортных машинах, рассеивают много энергии, но нередко из-за фреттинг-коррозии пластины свариваются между собой. Поэтому применение пластинчатых рессор сокращается.

Демпферы колебаний представляют устройства, рассеивающие энергию колебаний. Обычно они устанавливаются между колеблющейся массой и корпусной деталью (или сейсмически неподвижной массой) в местах максимальных амплитуд и возможно ближе к источникам возмущений. В демпферах создается сила трения, направленная противоположно скорости вредных колебаний и рассеивающая энергию колебаний. На рис. 16 показан демпфер Ланчестера.

Рис. 16. Демпфер сухого трения

Колебания маховика 1 демпфируются массой колец 2 и 6, сила трения которых относительно маховика 1 определяется коэффициентом трения колодок 7 по маховику 1, а также усилием их прижатия, регулируемым болтом 3 с шайбой 4 и пружиной 5. Существует оптимальная сила затяжки демпфера. При отсутствии затяжки силы трения очень малы. При излишне большой силе затяжки маховик колеблется вместе с валом, и силы рассеивания энергии колебаний в демпфере пропадают.

В демпферах вязкого трения обычно используют силы сопротивления жидкости при протекании ее через узкие щели или отверстия. Для демпфирования поступательно перемещаемых деталей используется демпфер поршневого типа (рис. 17).

Рис. 17. Кинематическая пара цилиндр-поршень

Поршень 1, связанный с колеблющейся деталью, заставляет жидкость перетекать из одной полости в другую через трубку с дросселем 3 или отверстие в поршне. При этом возникают силы сопротивления, уменьшающие амплитуду колебаний или полностью их поглощающие.

К специальным антивибрационным устройствам относятся виброизолирующие опоры (виброопоры), основное назначение их связано с уменьшением влияния колебаний оснований на работу прецизионного оборудования. Резинометаллическая виброопора показана на рис. 18.

Рис. 18. Резинометаллическая виброопора

Она относится к так называемым равночастотным опорам с нелинейной характеристикой, обеспечивающим почти одинаковую частоту собственных колебаний машин разных масс. При установке машины 6 на виброопору регулирование горизонтального уровня обеспечивается винтом 9 и гайкой 10. После регулировки машина фиксируется гайкой 8 с шайбой 7. Прокладка 5 обеспечивает упор винту. Гайка 10 связана со скобой 4, которая винтами 3 крепится к корпусу 2. Резиновая тарелка 1 армирована металлическими пластинами.

2.2. Концентрация нагрузки и пути ее уменьшения

Концентрация нагрузки отличается от концентрации напряжения тем, что она возникает на поверхности контакта и может вызываться упругими деформациями детали, погрешностями изготовления, силами трения, неравномерным износом. Концентрация нагрузки является одной из решающих причин снижения надежности и долговечности деталей машин. В подавляющем большинстве случаев стремятся к равномерному распределению нагрузки по поверхности контакта, особенно если критерием работоспособности является контактная прочность или износостойкость. Концентрация нагрузки сохраняется на весь срок эксплуатации в неподвижных соединениях и в неприрабатывающихся подвижных сопряжениях. В прирабатывающихся сопряжениях, работающих с постоянным режимом, она снимается и не вводится в расчет, если приработка завершается раньше, чем может произойти повреждение. При работе с переменным режимом происходит частичная приработка. В статически определимых, в частности в самоустанавливающихся системах, концентрация нагрузки отсутствует. Концентрация нагрузки, вызываемая растяжением. Такой вид нагружения возникает в резьбовых, заклепочных и сварных соединениях. Рассмотрим распределение нагрузки по виткам резьбы. Равномерное распределение нагрузки обеспечивается при очень точном изготовлении резьбы по шагу и при условии, что податливость витков резьбы много больше податливости винта и гайки. На самом же деле податливость витков соизмерима с податливостью винта и гайки. При этом прогибы наиболее нагруженных нижних витков (рис. 19) больше прогибов верхних витков на сумму удлинения витков на участке свинчивания и сжатия гайки.

Рис. 19. Деформация витков резьбы и распределение нагрузки по виткам Задача о распределении нагрузки по виткам была впервые решена Н. Е. Жуковским, который показал, что при взаимодействии крепежного винта с гайкой, имеющей 10 витков, первый, наиболее нагруженный виток воспринимает 34 % нагрузки, а десятый, наименее нагруженный, – менее 1 %. Уменьшения концентрации нагрузки можно добиться некоторыми конструкторскими решениями: · выполнением гайки, резьбовая часть которой полностью или частично размещается в отверстии под опорной поверхностью (рис. 20, а) или изготовлением гайки с кольцевой выточкой (рис. 20, б). Такая выточка повышает предел выносливости болта в 1,6 раза; · изготовлением угла профиля крепежной резьбы винта на 5 градусов больше угла профиля гайки (65⁰ и 60⁰ для метрической и дюймовой резьбы соответственно) (рис. 20, в). В этом случае витки гайки будут работать вершинами, что увеличивает длину консоли и увеличивает податливость витков и приводит к выравниванию нагрузки по длине гайки;

Рис. 20. Уменьшение концентрации напряжений в резьбах · выполнением отверстия в гайке слегка коническим, что обеспечивает переменную податливость витков (рис. 21, а). Витки нагружают не по всей высоте, нагрузки смещаются от заделки, и податливость увеличивается – предел выносливости винта повышается примерно на 20 %; · выполнением конической проточки с поднутрением около 5 градусов (рис. 21, б). Проточка охватывает только наиболее нагруженные витки, что приводит к их разгружению, и ресурс винта может увеличиться на 85 %.

Рис. 21. Изменение конструкции гайки для снижения концентрации нагрузки Концентрация нагрузки при сжатии. Резкая концентрация нагрузки возникает при сжатии двух тел по площади, если поверхность одного из них выходит за контур контакта (рис. 22).

Рис. 22. Концентрация нагрузки у кромок при сжатии двух тел по площади Концентрацию давления у кромок можно представить следующим образом. Рассмотрим под поверхностью контакта элементарные параллелепипеды (рис.22). На каждый из них и на соседние передается внешнее давление, которое заставляет их деформироваться и проседать; только крайние находятся в особых условиях, так как их соседние элементы с одной стороны не нагружены, поддерживают их и придают им дополнительную жесткость. От этого возникает пика давлений, которая теоретически уходит в бесконечность. Соединения с гарантированным натягом являются наиболее характерным примером возникновения пиков давлений у кромок (рис. 23, а). В результате концентрации давления и фретинг-коррозии усталостная прочность валов резко снижается. Понижение прочности вала от напрессовки может быть полностью компенсировано комплексом следующих мероприятий: увеличением диаметра посадочной поверхности 1 вала точно по длине ступицы на 5 %, выполнением галтелей 2 большего радиуса R и их обкаткой, выполнением на ступице разгрузочных канавок 3 (рис. 23, б).

Рис. 23. Регулирование концентраций напряжений в соединении с натягом Концентрация нагрузки от сжатия характерна и для подшипников качения. Если рассматривать подшипник качения, нагруженный радиальной силой, то можно отметить, что под действием нагрузки кольца смещаются, причем тела качения деформируются и нагружаются неодинаково (рис. 24).

Рис. 24. Изменение нагрузки по телам качения опорных подшипников В этой постановке сближение рассматривается как сжатие тел качения, а кольца условно считаются жесткими. Сжатие тел качения в плоскости нагружения максимально и равно смещению колец d (d=y₁). В беззазорном подшипнике сжатие шарика или ролика под углом Q равно y₂= d ·cosQ. Исходя из этого условия уравнения равновесия и зависимости между нагрузкой на тело качения и сближением колец определяют нагрузку на тело качения: · для шарикоподшипников (беззазорных) нагрузка на наиболее нагруженный шарик Р₀=4,37 R/z, где R – радиальная нагрузка на подшипник, z – число тел качения (в реальном подшипнике Р₀@ 5 R/z); · для роликоподшипников Р₀=4 R/z (в реальном роликоподшипнике Р₀@ 4,6 R/z). Распределение нагрузки (рис. 25) может быть несколько улучшено эллиптической расточкой отверстия под подшипник с расположением большей оси вдоль нагрузки (у В.А. Кудинова сила резания ориентируется под углом b к оси максимальной жесткости для снижения автоколебаний при точении). О более благоприятном распределении нагрузки на шпиндельной опоре судят по изменению величины “предельной” толщины стружки при точении.

Рис. 25. Выполнение ориентированных осей жесткости в опорах с подшипниками качения Эффективного снижения уровня автоколебаний при растачивании добиваются созданием ортогональных осей жесткости в передней шпиндельной опоре расточного станка. Для этого овальным (в пределах допуска) выполняют посадочное место внутреннего кольца подшипника.

Рис. 26. Зависимость предельной стружки от ориентации оси максимальной жесткости С₁ На рис. 26 показано изменение величины “предельной” стружки t_пр при различной ориентации оси максимальной жесткости C₁ относительно силы резания P_z. При обычном исполнении шпиндельного узла t_пр изменяется от 2 мм до 2,3 мм. У шпиндельного узла с ориентированными осями жесткости t_пр достигает 8 мм. Точность обработанных поверхностей на латунных образцах не изменяется в сравнении с обычными опорами, а чистота имеет тенденцию к улучшению. Однако этот способ сложен технологически: трудно выполнить эллиптическое посадочное место. В целях изыскания дополнительных средств повышения виброустойчивости (надежности) при растачивании были спроектированы составные борштанги (рис. 27).

Рис. 27. Виброустойчивая борштанга К корпусу 1, укрепляемому в шпинделе расточного станка, крепится резцедержка 3, соединяемая с корпусом посредством резьбы и проставочного кольца 5 между резцедержкой и корпусом. На проставочном кольце выполняются симметричные относительно его оси скосы Б и В, обеспечивающие создание явно выраженных осей максимальной и минимальной жесткостей, собранной оправки. Максимальная виброустойчивость обеспечивается при примерном совпадении оси максимальной жесткости с направлением действия силы резания (t_пр увеличивается в 1,7 раза); оптимальным является отношение жесткостей 1,22. Применение составных оправок увеличивает технологические возможности при растачивании. Например, при использовании составной оправки с l/d = 5 величина предельной стружки увеличивается в 4 раза по сравнению с обычной оправкой. Точность и чистота обработанной поверхности сохраняются по сравнению с цельной оправкой, наблюдается тенденция к улучшению чистоты обработанной поверхности. Концентрация нагрузки, вызываемаяизгибом. Такой вид нагружения характерен для валов на опорах качения и скольжения и зубчатых передач. Для вала на опорах скольжения (рис. 28, а) эпюра давления становится резко несимметричной и сильно снижает запас надежности. Для таких опор характерно снижение давления до “0” на свободных концах подшипника. Ближний к силе конец опоры воспринимает максимум нагрузки.

Рис. 28. Концентрация нагрузки в подшипниках скольжения жидкостного трения В опорах полужидкостного трения (рис. 29) давление резко возрастает на кромках.

Рис. 29. Концентрация нагрузки в подшипниках полужидкостного трения Исследование характера распределения нагрузки в подшипниках и разработка рекомендаций уменьшения концентрации нагрузки являются сложной инженерной задачей. В этом направлении ведется работа в ведущих исследовательских машиностроительных институтах мира. Разработан ряд рекомендаций: · применяют узкие подшипники с малым отношением l/d, где: l – длина, d – диаметр подшипника. Они повышают жесткость валов, используют самоустанавливающиеся подшипники. В подшипниках скольжения, изготавливаемых в габаритах подшипников качения, l/d = 0,3…0,4, в подшипниках быстроходных поршневых двигателей внутреннего сгорания l/d – 0,5…0,6, в подшипниках дизелей l/d – 0,6…0,9; · применяют самоустанавливающиеся сферические опоры, конструктивная схема которых показаны на рис. 30,а. Наиболее совершенно использование сегментных подшипников с самоустановкой в двух плоскостях. В качестве шарниров сегментных подушек подшипников применяют: шаровые фрикционные шарниры (рис. 30,б), упругие шарниры (рис. 31,а) и шарниры качения (рис. 31,б); · подшипники скольжения особо ответственных валов (шпиндели металлорежущих станков) пришабривают по валу в нагруженном состоянии.

Рис. 30. Самоустанавливающиеся подшипники

Рис. 31. Самоустанавливающиеся сегментные подшипники Деформация вала вызывает неравномерное распределение нагрузки по длине ролика в роликоподшипниках, причем ролики часто работают не по всей длине. Снижение нагрузок в роликоподшипниках обеспечивают изготовлением рабочей поверхности наружного кольца в виде гиперболоида вращения (рис. 32,а). Технологически это легко обеспечить, наклонив ось шлифовального круга. Иногда для снижения кромочных давлений по концам роликов их выполняют бомбинированными со стрелой выпуклости 0,01-0,02 мм (рис. 32,б.) Это повышает ресурс подшипников по данным ВНИ подшипниковой промышленности в 2-3 раза.

Рис. 32. Изменение конструкции роликоподшипников Конструкции с двумя подшипниками качения в опоре валов приводят из-за деформации валов к резко неравномерному распределению нагрузки между подшипниками. Для повышения несущей способности опоры применяют радиально-упорные подшипники в компоновке, имитирующей двухрядный самоустанавливающийся подшипник (рис. 33, а). Иногда подшипники в опоре ставят вершинами конусов контакта в разные стороны (рис. 33, б). При этом опоры как бы раздвигаются, вал приобретает повышенную жесткость за счет дополнительной нагрузки опор.

Рис. 33. Схемы установки сдвоенных подшипников в опоре Приведенные примеры позволяют при конструировании принимать инженерные решения, снижающие концентрацию нагрузки, что приводит к повышению надежности.

3. Факторы, определяющие надежность оборудования

Можно выделить ряд основных факторов, которые условно делят на две группы: · субъективные, которые во многом зависят от деятельности человека (выбор схемного и конструктивного решения при проектировании машины, выбор элементов и материалов, организация рациональной системы Р и ТО в период эксплуатации и т.п.); · объективные (неблагоприятное влияние внешней среды, связанное с климатическими, методологическими, биологическими, физико-химическими и другими воздействиями). Кроме того, все факторы, влияющие на надежность, делят на факторы, увеличивающие ее и уменьшающие. К первым, повышающим безотказность и долговечность, относятся выбор надежных элементов, резервирование, облегчение режимов эксплуатации, теплозащита, герметизация, виброизоляция, оптимизация схем и конструкций, автоматизация контроля параметров. К параметрам, снижающим надежность оборудования, можно отнести объективные факторы (температуру, давление, радиацию, старение, изнашивание) и субъективные (недоработки схем и конструкций, неоптимальный режим работы, нарушение технологии изготовления, нарушение правил эксплуатации). Анализ работы оборудования показывает, что потеря работоспособности является следствием одновременного воздействия случайных, внезапных повреждений и постепенных процессов изнашивания и старения деталей оборудования. Закономерности появления случайных отказов и повреждений определяются методами теории вероятности и математической статистики. Закономерности, описывающие процессы изменения свойств и состояния материалов в условиях их эксплуатации, изучаются в разделах физики отказов. Знание физических закономерностей процессов дает возможность прогнозировать надежность деталей и более точно оценивать надежность оборудования. Физические закономерности процесса изнашивания описываются конкретными законами. Но по причине многообразия и переменности действующих факторов эти зависимости приобретают вероятностный характер, и поэтому при анализе изнашивания используется математический аппарат теории вероятности и математической статистики. Пусть скорость некоторого процесса разрушения материала зависит от ряда входящих параметров и времени, то есть

γ = dU / dt = φ (x₁; x₂; x₃, …x_n; t)(28)

Здесь параметры x_i характеризуют условия эксплуатации, состояния материала и другие факторы, влияющие на протекание процесса разрушения, меняющиеся во времени.

При работе машины происходят непредвиденные изменения и колебания нагрузок, поэтому приведенная функциональная зависимость приближенно отражает физическую сущность процесса, но она может предсказать возможный ход процесса при различных сочетаниях параметров.

Существо проблемы надежности заключается, в конечном счете, в изменчивости материалов и элементов во времени при заданных условиях эксплуатации. Поэтому знание проблем надежности связано с изучением представлений о процессах разрушения материалов, их изменчивости во времени при заданных условиях эксплуатации. Любой отказ возникает, как правило, в результате постепенного накопления необратимых изменений в элементах (кроме случаев непредвиденной концентрации нагрузок).

Изучение влияния совместного действия силовых и физико-химических факторов, взаимодействия трущихся поверхностей с учетом их геометрических и физических свойств и поверхностных явлений в связи со смазкой и наличием ПАВ позволяет полученные закономерности на субмикроскопическом уровне распространить на всю рабочую поверхность. Полученные в результате такого анализа физические закономерности используются при оценке работоспособности оборудования и разработке мероприятий по повышению его надежности.

Для чистых металлов, сплавов, полимеров, полупроводников и других материалов экспериментально установлены температурно-временные зависимости между напряжением s, температурой t ⁰, временем t от момента приложения постоянной механической нагрузки до разрушения. Как правило, эти зависимости имеют экспоненциальный характер. Металлы и сплавы по-разному разрушаются в зависимости от температуры: в низкотемпературной области, характеризующейся большими напряжениями и сравнительно низкой температурой, механизм разрушения определяется последовательным разрушением атомных связей в кристаллической решетке; в высокотемпературной, характеризуемой малыми напряжениями и высокой температурой, механизм разрушения определяется ростомтрещин за счет сосредоточения вакансий.

В процессе дальнейшего нагружения за счет сдвига материала смежные трещины соединяются друг с другом до полного разрушения. Рост трещин может происходить в две стадии: медленный рост с увеличивающейся скоростью, быстрый рост с постоянно предельной скоростью, близкой к скорости звука в материале. На первой стадии разрыв связей происходит за счет избытка кинетической энергии, накопленной вследствие флутаций атомов молекул. Ее вероятность тем больше, чем выше температура и больше напряжения у вершины трещины. Во второй стадии разрыв определяется локальными напряжениями, близкими к молекулярной прочности.

Рассмотрим влияние некоторых факторов на процесс разрушения:

· характер изменения нагрузки и его влияние на трещины. При медленном увеличении нагрузки происходит упругая деформация, пластическое течение материала и затем наступает резкое упрочнение и разрыв (рис. 34);

Рис. 34. Диаграмма растяжения стальных деталей (образцов)

· при большой скорости нарастания механического нагружения происходит хрупкое (без удлинения) разрушение большинства материалов;

· поверхностно-активные вещества. Они в большинстве случаев способствуют разрушению материалов. Поверхностный слой металла из-за наличия в нем свободных связей обладает большой активностью. Поэтому любая внешняя поверхность твердого тела покрыта всегда тончайшей пленкой вещества, содержащегося в окружающей среде (газов, паров жидкостей и других адсорбированных веществ). Органические ПАВ имеют значительную по величине дифильную молекулу, которая не может дифундировать в кристаллическую решетку металла. Поэтому их действие чисто поверхностное. Своей карбоксильной группой молекулы ПАВ прочно закрепляются на поверхности металла, образуя монослой из плотно расположенных молекул. Пленка может выдерживать давления до 1·10² МПа. При этом трение в подвижных сопряжениях происходит не между поверхностями металлов, а между поверхностями масляных пленок. В этом состоит защитное действие смазок с ПАВ;

· тепловое разрушение материалов в виде плавления или испарения;

· старение материалов (объясняемое изменением их физико-механических свойств со временем, в условиях длительного хранения и эксплуатации).

Все эти представления о следствиях и причинах образования механических разрушений в материалах необходимы для понимания изнашивания (основного параметра, определяющего работоспособность оборудования). Согласно ГОСТ 23.000-78 изнашивание – процесс разрушения и отделения материала с поверхности детали и (или) накопления его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы детали.

4. Выбор материалов деталей машин

Стоимость материалов составляет значительную часть стоимости машин, особенно машин массового производства (с малой трудоемкостью) и металлоемких, в частности стоимость материалов в автомобилях в среднем составляет 65-70 %. Марки материалов и их термообработка имеют решающее значение для качества (особенно надежности и долговечности) и экономичности машин. Современные машины с разнообразными техническими параметрами невозможно создать, не используя материалы с высокими характеристиками. Большая часть деталей машин представляет собой кинематические пары трения. Требования, предъявляемые к материалам, из которых изготовлены элементы пар трения, в ряде случаев являются взаимоисключающими. Единые требования к материалам, используемым в подвижных сопряжениях, можно в известной мере условно разделить на экономические, технологические, эксплуатационные и гигиенические. С экономической точки зрения применяемые материалы для изготовления деталей, а также смазочные материалы должны быть недефицитными и недорогостоящими. Технология изготовления деталей из материалов должна быть достаточно простой. Замена смазочного материала при эксплуатации узлов трения должна производиться как можно реже или не производиться совсем. Технологические требования: хорошая обрабатываемость используемых материалов, создание шероховатостей поверхностей трения, близких к равновесным, то есть обеспечение незначительного по длительности периода приработки, сравнительная простота технологических процессов при изготовлении деталей, разработка систем эффективного контроля качества продукции. В процессе эксплуатации конструкционные и смазочные материалы должны обеспечивать стабильное значение задаваемого в подвижном сопряжении коэффициента трения, хорошую прирабатываемость, небольшой по длительности период приработки, исключение схватывания и задиров, высокую коррозионную стойкость и износостойкость. Материалы должны обладать соответствующими заданным условиям эксплуатации механическими свойствами, чтобы хорошо воспринимать нормальную нагрузку, и теплофизическими свойствами, обеспечивающими работу в определенном тепловом режиме. В некоторых случаях они должны обладать хорошей демпфирующей способностью. С точки зрения гигиены конструкционные и смазочные материалы деталей машин в процессе эксплуатации не должны образовывать веществ, вызывающих загрязнение окружающей среды. При работе они не должны разлагаться и выделять токсичные вещества и неприятные запахи. Таким образом, подбор материалов представляет известные трудности. Удобно рассматривать требования к материалам деталей в соответствии с основными критериями их работоспособности, из которых выделяются прочность, в том числе контактная, жесткость и износостойкость.

4.1. Общие технологические требования

Обрабатываемость сталей режущим инструментом обычно рассматривается с позиций скорости резания и шероховатости поверхности. Для обычных конструкционных сталей при выборе марок обрабатываемость не играет существенной роли. Основной механической характеристикой, определяющей скорость резания, является действительный предел прочности, отнесенный к площади сечения перед образованием шейки. Скорость резания для автоматных сталей допускается на 20 % выше, чем для среднеуглеродистых. Из легирующих элементов более всего понижает допустимую скорость резания углерод, но в пределах до 5 % (дальнейшее увеличение не влияет), затем кремний. Марганец и никель практически не влияют.

Наиболее неблагоприятны для обработки вязкие аустенитные стали, тогда как при мартенситной структуре обработка происходит вполне успешно. Стойкость инструментов существенно понижается от неметаллических включений, разброса твердости, твердой корки и т.д.

Обрабатываемость сталей существенно повышается добавкой свинца в количестве сотых долей процента; добавкой свинца к материалам зубчатых колес удается многократно повысить стойкость зуборезного инструмента.

Для ряда деталей с поверхностями эвольвентного профиля важны материалы, имеющие высокую твердость (обычно после улучшения) при возможности чистовой обработки металлическим инструментом. К таким материалам из числа широко известных относятся молибденовые стали. Применение таких материалов позволяет отказаться от шлифования, которое иногда представляет большие трудности или даже неосуществимо.

Заслуживают внимания мартенситные стареющие стали, содержащие никель (10-20 %), кобальт и вольфрам, обладающие после закалки низкой твердостью, что допускает обработку резанием. Затем стали подвергаются старению при температуре около 500⁰ до HRC около 55 с нулевыми или весьма малыми деформациями.

Одной из важных причин понижения надежности и долговечности деталей машин являются шлифовочные прижоги и трещины. Опыты на образцах из легированной стали показали, что прижоги снижают предел выносливости при изгибе на 25 %, а трещины – в три раза. В опытах на роликах из стали 12Х2Н4А шлифовочные прижоги с понижением твердости с HRC 60...61 на 10 единиц уменьшают контактную долговечность в 8 раз, а ограниченный предел выносливости – на 25 %. Повышение теплостойкости стали приводит к росту сопротивления шлифовочным прижогам, а следовательно, надежности и долговечности деталей.

Очень большое значение имеют литейные свойства. Как правило, в машинах толщины стенок литых деталей из технологических соображений выбирают больше, чем оптимальные. Основным критерием работоспособности большинства наиболее металлоемких деталей – станин, плит и корпусных деталей – является жесткость. Уменьшение толщины стенок может служить наиболее реальным ресурсом экономии металла.

Детали сложных форм с многими ребрами и перегородками, как известно, требуют литейных материалов. Масса станин, плит и других корпусных деталей, изготовляемых литыми, в стационарных машинах доходит до 80-85 %. Детали с тонкими стенками (листы, тонкостенные трубы), длинные тонкостенные детали (балки, рельсы) и другие требуют материалов, обрабатываемых давлением. Если форма многих деталей машин и условия их работоспособности дают возможность изготавливать их как из литейных, так и из деформируемых материалов, тогда существенную роль играет экономический критерий.

Важное значение имеет оптимальное расположение волокон. Накатка зубьев, устраняющая перерезание волокон, повышает прочность зубчатых колес на 15-20 % или в несколько раз ресурс.

Для листовой стали актуально установление тех дополнительных характеристик, которые обеспечивают повышенную штампуемость.

В связи с широким распространением сварки в машиностроении разработка новых сплавов должна сразу сопровождаться испытаниями на свариваемость.

Требования к механическим характеристикам материалов. Для работы при нормальной температуре и атмосферном давлении к таким требованиям следует отнести:

· общее повышение прочности металлических материалов;

· снижение чувствительности материалов к концентрации напряжений (то есть повышение сопротивления распространению трещин);

· уменьшение рассеяния характеристик;

· создание особо прочных материалов;

· применение композитных материалов как средства принципиального снижения чувствительности материалов к концентрации напряжений, а в дальнейшем использования высокой естественной прочности монокристаллов, широкое применение армированных конструкций;

· обеспечение стабильности упругих свойств материалов для упругих элементов и повышение сопротивления холодной ползучести;

· создание дешевых металлических материалов с высоким модулем упругости, с хорошими технологическими свойствами и стабильностью (с малыми вредными остаточными напряжениями в деталях после их изготовления);

· создание высокоизносостойких материалов с твердостью выше твердости абразива для работы в сильно абразивной среде с достаточной толщиной упрочненного слоя;

· создание антифрикционных и фрикционных материалов для напряженных режимов с высоким сопротивлением схватыванию.

Материалы деталей машин, рассчитываемых по критерию прочности и жесткости. К деталям, подчиненным критериям контактной статической и циклической прочности, относятся детали узлов качения: подшипников, направляющих шариковых пар винт-гайка, зубчатых колес, роликовых муфт и патронов и др.

Масса большинства деталей, рассчитываемых на прочность по опасным сечениям, изменяется пропорционально площади поперечного сечения F, которая, как правило, обратно пропорциональна допускаемому напряжению [s]. Так, для деталей, работающих на растяжение,

F=P/[s].

(29)

Масса деталей типа балок валов, работающих на изгиб или кручение, при сохранении геометрического подобия сечения, обратно пропорциональна допускаемому напряжению в степени 2/3.

Масса деталей, рассчитываемых на контактную прочность (подшипников качения, многих зубчатых колес и др.), обратно пропорциональна квадрату допускаемого напряжения.

Допускаемое напряжение, как известно, выбирают: при статической нагрузке, в том числе при контактных напряжениях – пропорциональным или близким к пропорциональному пределу текучести, а для хрупких материалов – к пределу прочности; при циклических нагрузках – пропорциональным пределу выносливости деталей; при контактных нагружениях в условиях перекатывания – пропорциональным твердости с учетом твердости подслоя.

Отсюда очевидна выгодность изготовления деталей, подчиненных критерию прочности, из материалов с высокими прочностными характеристиками. Особенно это относится к деталям, рассчитываемым на контактную прочность, к пружинам, к зубчатым колесам и другим деталям простых конфигураций малых и средних размеров, у которых меньше сказывается концентрация напряжений и масштабный фактор.

Использование для машин материалов с повышенными механическими характеристиками дает существенную экономию материалов, снижает показатели металлоемкости и повышает технико-экономические показатели машин.

При технико-экономическом анализе необходимо учитывать, что понижение механических характеристик и соответственное увеличение размеров одной детали или группы деталей неизбежно влечет за собой увеличение размеров и массы других. Например, следует считать принципиально неправильным применение зубчатых колес средних и малых размеров низкой твердости. Зубья работают в условиях, близких к условиям работы роликоподшипников, но нигде в мире роликоподшипники не изготавливают твердостью ниже HRC 60. Переход на изготовление редукторных зубчатых колес, закаленных до высокой твердости, вместо улучшенных уменьшает массу редуктора в три раза или многократно увеличивает долговечность. В зарубежной печати был приведен пример уменьшения массы редуктора в 8 раз при повышении твердости зубчатых колес от HB 200 до HB 600. Уменьшение массы редуктора на 1кг, по литературным данным, приводит к уменьшению массы всей машины в среднем на 2,5 кг.

Огромными возможностями обладает процесс легирования сталей повышением прочностных, износовых и технологических свойств, обеспечиваемых малыми добавками легирующих элементов. Прочность современных высокопрочных легированных сталей более чем в два раза выше прочности углеродистых сталей (при оптимальной термообработке). Вследствие плохой прокаливаемости и сильного коробления детали из углеродистой стали обрабатывают термически до значительно меньшей твердости, чем из легированных.

На контактную прочность сталей легирование оказывает влияние в основном через твердость и структуру поверхностного слоя после закалки и через прочность сердцевины. При обеспечении надлежащей твердости и структуры поверхностного слоя, а также прочности сердцевины высоколегированные цементируемые стали могут быть заменены низколегированными.

Для повышения прочности чугуна весьма эффективно его модифицирование добавкой в ковш небольшого количества графитизирующих элементов (ферросилиция, силикокальция или силикоалюминия). При этом обеспечивается сферическая форма графита и резко снижается внутренняя концентрация напряжений. Предел прочности при растяжении такого чугуна может быть поднят до предела прочности средней углеродистой стали.

К деталям, рассчитываемым по критерию жесткости (EF – жесткость, здесь E – модуль упругости, F – площадь поперечного сечения), относятся станины и корпусные детали большинства машин, в частности станков, большинство валов коробок передач, шпиндели станков и другие детали. Требования к материалам: высокий модуль упругости и технологические свойства, обеспечивающие для станин и корпусных деталей возможность применения тонкостенных конструкций оптимальной формы с малыми остаточными напряжениями и стабильностью в эксплуатации. Термическое упрочнение деталей, подчиненных критерию жесткости, бесполезно, так как оно не повышает модуля упругости материала E.

4.2. Композиционные материалы

В настоящее время перспективы прогресса в машиностроении в основном связаны с разработкой и широким применением композиционных материалов (композитов). Комбинирование различных веществ остается сегодня одним из основных способов создания новых материалов. Большинство современных конструкционных материалов представляют собой композиции, например железобетонные конструкции, стеклопластиковые баллоны давления, автомобильные шины и т.п. Во всех случаях – это система разных материалов, каждый из составляющих которой имеет свое конкретное назначение применительно к рассматриваемому готовому изделию. Ни резина, ни корд автомобильной шины не могут выполнять своей функции независимо, они используются совместно и должны рассматриваться как единая композиция. Таким образом, композиционные материалы представляют собой гетерофазные системы, полученные из двух или более компонентов с сохранением индивидуальности каждого отдельного компонента. Композиционные материалы делают с использованием “композитной” технологии, которая родилась не вчера. В древней Греции мраморные колонны укреплялись металлическими прутьями, а собор Василия Блаженного, что в Москве, стоит на каменных плитах, скрепленных железом. Так что парижанин Ж. Мотье, получивший в 1867 году патент на железобетон, сам того не подозревая, шел по стопам древних. Гоночные яхты, легкие и прочные, делают из другого композита – стеклопластика: полимера, армированного стекловолокном. Это, можно сказать, классический пример современного подхода к композитам. Чтобы его создать, технологам пришлось отыскивать новые свойства традиционного материала. Например, из одного кубического сантиметра стекла можно вытянуть тончайшую нить в 450 километров. При этом свойства стекла разительно меняются. Оно совершенно теряет хрупкость, легко гнется и …растворяется в воде. Приходится прятать стеклянные нити от воздействия влаги внутрь фенолформальдегидных, эпоксидных и других водонепроницаемых смол. Сегодня технологи научились вытягивать тончайшие нити из многих веществ, даже из базальта. Их применяют для армирования бетона или керамики – все той же глины. И получают материал прочнее стали, которому нипочем тысячеградусные температуры. Его используют для изготовления зубчатых колес, матриц пресс-форм и штампов, деталей и узлов двигателей как автомобильных, так и ракетных. Получать нити из стекла, камня или металла куда сложнее, чем, скажем, из хлопка или шелка, хотя специалистам во многом помог опыт текстильщиков, работающих с синтетическими волокнами. Такие нити не прядут, а отливают. Расплавленный пластик пропускают сквозь тончайшие отверстия фильеры, при выходе расплав застывает, образуя тончайшие (микронные) нити из тугоплавких и износостойких материалов. Так, к примеру, получают углеродные волокна – один из наиболее распространенных материалов для получения композитов в наши дни. Известна другая технология получения углеродных волокон, получившая название метод выращивания “усов”. “Усами” специалисты называют нитевидные структуры, которые образуются при направленной кристаллизации расплавов. Молекулярный порядок в них почти идеальный – отсюда и высочайшая прочность. В недалеком будущем можно представить: конструктор садится к компьютеру, набрасывает эскиз зубчатого колеса или другой детали, задает размеры, допуски, указывает, какими прочностными, температурными и прочими характеристиками должна обладать данная деталь в том или ином сечении. ЭВМ в своей памяти отыскивает композиционный материал, отвечающий заданным требованиям, и разрабатывает технологический процесс получения детали. Полученный техпроцесс передается на автоматизированную технологическую линию, где без участия человека изготавливается спроектированная деталь. Уже сегодня на вертолетах Камова доля композитов составляет более половины их веса, благодаря чему ресурс машины увеличился вдвое, а трудоемкость изготовления снизилась в 1,5-2,0 раза. По мнению специалистов, сверхзвуковые пассажирские самолеты второго поколения, которые появятся в небе уже в начале следующего столетия, будут на 60-70% состоять из композитов. Японские инженеры готовы начать выпуск автомобилей с керамическими двигателями, которым не нужна система охлаждения – ведь керамика выдерживает нагрев в тысячи градусов. А это позволит на 20-30% облегчить двигатель, уменьшить его габариты. Один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объему, является матрицей; компонент прерывный, разделенный в объеме композиции, считается усиливающим или армирующим. Матричными материалами могут быть металлы и их сплавы, органические и неорганические полимеры, керамика и другие вещества. Усиливающими или армирующими компонентами чаще всего являются тонкодисперсные порошкообразные частицы или волокнистые материалы различной природы. В зависимости от вида армирующего компонента композиты могут быть разделены на две основные группы: дисперсно-упрочненные и волокнистые, которые отличаются структурой, механизмами образования высокой прочности. Дисперсно-упрочненные композиты представляют собой материал, в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы второго вещества. В таких материалах при нагружении всю нагрузку воспринимает матрица. У волокнистых композитов матрица (чаще всего пластичная) армирована высокопрочными волокнами, проволокой, нитевидными кристаллами. Идея создания волокнисто-армированных структур состоит не в том, чтобы исключить пластическое деформирование матричного материала, а в том, чтобы при его деформировании обеспечивалось нагружение волокон и использовалась бы их высокая прочность. Особенность волокнистой композиционной структуры заключается в равномерном распределении высокопрочных, высокомодульных волокон в пластичной матрице. Другая отличительная особенность волокнистой композиционной структуры – анизотропия свойств. По типу матриц композиционные материалы можно классифицировать (рис. 35) как материалы с полимерной матрицей, углеродной и металлической.

Рис. 35. Детали конструкции автомобиля из композиционных полимерных материалов Композиты с полимерной матрицей в качестве матрицы используют отвержденные эпоксидные, полиэфирные и некоторые другие термореактивные смолы, а также полимерные термопластичные материалы. В качестве армирующих элементов используют непрерывные и дискретные волокна различной природы (стеклянные, углеродные, органические, борные и т.д.), ткани и нетканые материалы на основе этих волокон. В качестве матрицы используются отвержденные эпоксидные, полиэфирные и некоторые другие термореактивные смолы, а также полимерные термопластичные материалы. Достоинства композитов с полимерной матрицей следующие: высокие удельные прочностные и упругие характеристики, стойкость к химическим агрессивным средам, низкие тепло- и электропроводность, радиопрозрачность стеклопластиков и т.п. К достоинствам этих материалов следует отнести также и то, что при их изготовлении относительно легко при умеренных температуре и давлении удается соединить армирующие элементы с матрицей. К недостаткам пластиков относятся их низкие прочность и жесткость при сжатии и сдвиге, низкие тепловая и радиационная стойкость, гигроскопичность, подверженность изменению физико-механических характеристик при старении и под действием климатических факторов. Композиты с углеродной матрицей. Низкая тепловая и эрозионная стойкость, а также некоторые другие недостатки полимерных композитов в основном определяются полимерной матрицей. Качественно новый уровень свойств материала позволяет получить карбонизация полимерной матрицы, реализуемая при образовании углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ), представляющих собой систему углеродное волокно – углеродная матрица, подобную по физико-механическим свойствам углеродным волокнам, позволяющую наиболее полно реализовать в композите универсальные свойства углеродного волокна. УУКМ обладают рядом ценных свойств: чрезвычайно высокой теплостойкостью, хорошей стойкостью к термоудару, низкими значениями температурного коэффициента расширения и теплопроводности, высокой стойкостью к химическим реагентам (возможность использования в химическом машиностроении, атомной энергетике и др.). В композитах с металлической матрицей сочетаются достоинства конструкционных металлических материалов с достоинствами композитов вообще. Для них характерны высокие значения прочностных характеристик, модулей упругости, вязкости разрушения, ударной вязкости; эти материалы сохраняют стабильность своих характеристик в более широких температурных интервалах, чем материалы с полимерными матрицами. Для конструкционных композитов в качестве матричных составляющих преимущественно применяются алюминий, титан, сплавы на основе этих металлов, а также магниевые сплавы. В производстве и обработке рассматриваемых материалов необходимо различать получаемые на предварительной стадии полуфабрикаты композита (препреги), к которым относятся волокна с покрытиями, предварительно пропитываемые жгуты волокон, плетеные “ремни”, сетки, пористые ленты с одним слоем волокон. Впоследствии их используют в качестве элементов сборных многослойных заготовок, которые затем подвергаются процессам формообразования, раскроя, сварки, механической обработки. Технология получения композиционных материалов достаточно сложна, энергоемка и требует специальных вакуумных установок. Армирующие элементы волокнистых композитов (волокна) получают многими методами: механическими – вытягивание тонкой проволоки, разрезание фольги (как правило, из нержавеющей стали) и т.п.; из расплавленных металлов – фонтанирование через сопло, вытягивание из расплавленной капли и т.п.; химическими – выращивание нитевидных кристаллов (окислы алюминия, нитраты и карбиды кремния, волокна бора, волокна углерода). Реальная прочность металлических конструкционных материалов в 4-5 раз меньше теоретической, что во многом определяется нарушениями в кристаллической решетке этих материалов, объясняемыми дислокациями. Причем у цилиндрических поверхностей (волокон) чем меньше диаметр, тем количество дислокаций меньше и относительная прочность волокон выше, например, предельное напряжение на разрыв нити диаметром 22 мкм – 22 кг/мм², а у нити диаметром 2,5 мкм – 560 кг/мм². Примерно в 25 раз прочностные характеристики выше, потому что в тонких нитях дефектов меньше. Дислокации определяют характер пластического деформирования кристаллов, прочность металлов. Поэтому разработка новых технологий создания бездислокационных структур и использование нитевидных кристаллов являются перспективными. Оказывается, что максимальная прочность не у стальных волокон, а у волокон углерода. Будучи в 5 раз легче стали, они в 3 раза превосходят по прочности ее лучшие сорта. Покажем порядок выполнения технологических операций при получении композиционного материала с полимерной матрицей. В качестве упрочнителя используются арамидные волокна типа кевлар, которые вытягивают из синтетической смолы, родственной нейлону (или капрону). Технология сложна: · смолу (микромолекулы) растворяют в серной кислоте, удаляют примеси и пузырьки воздуха, пропускают через фильеру (нитеобразователь), затем нити направляют в осадительную машину (для термообработки). Получаем прочное и жесткое волокно; · из нитей плетут ткани различного переплетения; · готовят препрег (ткани арамидных волокон, пропитанные наполнителями и связующими); · препрег раскраивают и помещают в “стапели” – технологическую оснастку; · “стапель” помещают в автоклав (вакуумную установку) и в течение требуемого времени выдерживают при заданных температуре и давлении; при этом формируются деталь и сам композит, то есть совмещаются производство детали и материала. Покажем свойства композиционных материалов на примере углепластиков (упрочнитель – углеродные волокна, а матрица – полимерная смола): · высокая прочность, · радиационная стойкость, · высокая плотность, · морозостойкость, · низкий коэффициент термического расширения, · химическая стойкость, · регулируемые электрофизические характеристики, · вибропрочность в 5 раз выше, чем у металлов, · низкая энергоемкость при производстве, · недостатки: высокая стоимость. Углепластики находят применение от конструктивных элементов деталей машин до медицинского оборудования. Так использование композитов в самолете СУ-26М (до 50 % детали из углепластиков) привело к увеличению ресурса в 1,5-2 раза. Экономическую эффективность применения композитов можно представить из следующих рассуждений: · разница по удельному весу в 4 раза по сравнению со сталью, поэтому использование одной тонны стеклопластиков заменяет 4 тонны стали; · при изготовлении деталей методами резания до 50% материала идет в стружку, у композиционных материалов в отход уходит до 10%, что также дает экономию примерно в 2 раза. Следовательно, 1 тонна стеклопластика экономит 8 тонн выплавляемой стали; · вибропрочность, коррозионная стойкость композитов выше примерно в 2 раза, что делает их более долговечными. В конечном итоге при правильной эксплуатации на 1 тонну композитов приходится экономия 16-25 тонн выплавляемой стали. Спрос на композиционные материалы растет. Так, в странах западной Европы в 1977 г. использовано 350 тыс. тонн композитов, в 1986 г. – 1000 тыс. тонн, а к 2000 г. планируется использование 2000 тыс. тонн. В перспективе использование так называемых “интеллектуальных” композитов. Они более экономичны, чем материалы, получаемые металлургическими способами.

5. Избирательный перенос металла в узлах трения

Рабочие поверхности при трении, как правило, теряют свою форму и размеры, а продукты износа уносятся смазкой. Однако можно обеспечить, чтобы оторвавшиеся при изнашивании частицы схватывались с той же поверхностью или переносились на сопряженную. Тогда унос металлов со смазкой и износ резко уменьшаются (на 1-2 порядка) или практически исключаются [2]. Благодаря избирательному переносу (открытие № 41 от 12.11.56 г.) в режиме граничной смазки можно резко снизить трение и почти полностью исключить износ трущихся поверхностей. Процессы, происходящие в зоне контакта твердых тел при трении, образуют несколько стройных систем снижения износа и трения, которые обеспечивают: образование тонкой пластичной металлической пленки на трущихся поверхностях, защищающей основной металл от износа; удержание продуктов износа в зоне трения; снижение давления в зоне контакта; образование защитной полимерной пленки из продуктов деструкции смазочного материала. Избирательный перенос рассматривается как трение с новым смазочным материалом и наличием в зоне контакта неокисляющейся тонкой пластичной металлической пленки, обладающей особой структурой и способной к самовосстановлению при разрушении. В практике эксплуатации машин и оборудования с избирательным переносом объясняется долголетняя работа без ремонта трущихся кинематических пар мотор-компрессоров домашних бытовых холодильников. Трущиеся стальные поверхности поршня и блока цилиндра в процессе работы самопроизвольно покрываются тонкой медной пленкой толщиной около 1 мкм, образующейся в результате осаждения ионов меди из смазочного материала. Эти ионы являются продуктом взаимодействия смазочного материала (50% масла и 50% фреона) с медными трубками охладителя. Тяжелонагруженные трущиеся поверхности бронзовых подшипников самолетов, смазываемых металлоплакирующими смазочными материалами, в процессе работы покрываются тонкой пленкой свинца или меди. На самолете ТУ-104 бронзовые буксы, испытывая громадные давления, проработали около двух десятков лет практически без износа. Наиболее подходящим металлом для использования в безызносных парах считается медь, так как она при надлежащей смазке достаточно стойка против окисления и не наклепывается, легко восстанавливается из окислов и прочно адсорбирует смазку. Распространенная фрикционная пара –сталь-бронза. Смазочная среда должна быть восстановительной по отношению к окислам меди и окислительной к другим компонентам бронзы. Оптимальной смазкой является глицерин, который, действуя как слабая кислота, растворяет цинк, свинец, железо. При этом поверхность обогащается медью и медь переносится на сопряженную поверхность. Таким образом, перенос является избирательным. Затем процесс растворения прекращается и происходит установившийся безокислительный процесс трения меди по меди с весьма малым коэффициентом трения (0,01-0,005). Прослойка меди сохраняется в состоянии, способном к схватыванию с частицами износа. Если медь не схватывается с сопряженной поверхностью, например, при покрытии ее электролитическим хромом, то частицы износа схватываются с поверхностью бронзовой детали, причем сохраняется тот же эффект. Финишная антифрикционная безабразивная обработка(ФАБО). Перенос металла при трении используется в технологических процессах фрикционного латунирования, бронзирования и меднения, используемых для предотвращения схватывания. Установлено, что от финишной обработки деталей зависит не только первоначальный, приработочный износ, но и установившийся износ, то есть качество обработки детали может оказать влияние на интенсивность изнашивания при длительной эксплуатации машин. Как правило, зеркало цилиндров двигателей внутреннего сгорания автомобилей окончательно обрабатывается хонингованием. Его проводят в несколько этапов для обеспечения требуемой шероховатости и направленности штрихов неровностей, которые создают наилучшее условие удержания смазочного материала на зеркале цилиндра. Хонингование относят к абразивной обработке поверхности, при которой последняя в большей или меньшей степени насыщается абразивами. Как бы не промывали цилиндр двигателя и не продували его сжатым воздухом, поверхность цилиндра содержит абразивные частицы. Оставшиеся абразивные частицы в процессе работы смываются маслом и вызывают повышенный износ деталей. Было исследовано влияние различной степени промывки цилиндров дизелей на их износостойкость. Установлено, что износ цилиндров и поршневых колес автомобильных двигателей в первый период его работы (10-12 ч) сокращает приблизительно на 20% весь ресурс двигателя. Исследовались новые технологические процессы окончательной обработки зеркала цилиндра двигателя, при которых вообще исключалась бы абразивная обработка поверхностей. К такой обработке относится ФАБО, сущность которой состоит в том, что трущиеся поверхности деталей покрывают тонким слоем латуни, бронзы или меди в результате переноса металла при трении. Обрабатываемую поверхность обезжиривают, а перед нанесением покрытия наносят раствор (глицерин или смесь – две части глицерина и одна часть 10%-го раствора соляной кислоты), который в процессе трения разрыхляет окисную пленку на поверхности стали, пластифицирует поверхность медного сплава и создает условия для схватывания со сталью. Материал переносится крупинками, которые прочно схватываются со сталью и имеют между собой определенную связь. Детали, подвергаемые ФАБО, предварительно могут быть шлифованы, развернуты, проточены или хонингованы. Шероховатость поверхности должна быть не ниже 6-го класса шероховатости. ФАБО гильз цилиндров можно производить на металлорежущем станке с помощью приспособления, показанного на рис. 38. Передняя часть приспособления содержит головку 8 со стаканами 7 и 16. В разрезных направляющих втулках 2 и 15 перемещаются два подвижных штока 6 и 12. Через систему рычагов усилие от подпружиненной тяги 9 передается на штоки. Установленные в них прутки латуни или бронзы 4 и 14 прижимаются к обрабатываемой поверхности 3 с давлением порядка 80-120 МПа.

Рис. 38. Приспособление для финишной безабразивной обработки гильз цилиндров автомобилей Рычаги 17 соединены шарнирно с крышкой 1 головки и вилкой тяги. Самоустановка прутка латуни (или меди) в процессе работы обеспечивает перемещение вилки 11 относительно болта 10. По мере износа прутки перемещаются в радиальном направлении в гайках 5 и 13 на 12 мм, что достаточно для обработки одним комплектом прутков диаметром 4 мм нескольких гильз диаметром от 100 до 120 мм. Обработка производится при вращении детали со скоростью около 0,6 м/с при продольной подаче 0,15-0,22 мм/об. После такой обработки цилиндр двигателя как бы превращается в бронзовый, коэффициент трения снижается в 2 раза. Известно, что 12% мощности двигателя тратится на трение в деталях двигателя. Половина этой мощности расходуется на трение между цилиндрами и поршневыми кольцами. Если снизить коэффициент трения в 2 раза, то мощность двигателя возрастет примерно на 3% без увеличения расхода топлива.

4.3. Детали машин из пластмасс

В последние годы наблюдается такой быстрый рост производства деталей из пластмасс, какого не знали никакие другие материалы. Этот рост можно объяснить хорошими технологическими и многообразными их полезными свойствами. Технологические особенности пластмасс: · отходов при изготовлении пластмассовых деталей примерно в 5 раз меньше, чем при изготовлении металлических, кроме того, они обладают повышенной ремонтопригодностью; · трудоемкость изготовления пластмассовых деталей высокопроизводительными методами: литьем, прессованием выдавливанием в 7-10 раз ниже, чем обработка металлических деталей; · ресурсы сырья для изготовления большинства пластмасс считаются практически неограниченными; · применение 1 т пластмасс позволяет сэкономить 3-7 т стали или цветных металлов; · затраты на создание мощностей по производству пластмасс значительно меньше, чем на производство металла, сроки освоения значительно короче.

Рис. 37. Клеевое соединение материалов из композитов К технологическим недостаткам пластмасс относится невыгодность производства пластмассовых деталей малыми партиями, так как при уменьшении серийности уменьшаются или пропадают преимущества пластмасс по трудоемкости. Эксплуатационные особенности пластмасс могут быть следующими: · высокая удельная прочность, то есть прочность на единицу массы, поэтому особо прочные пластмассы являются весьма перспективными для быстровращающихся материалов: лопаток и колес компрессоров, сепараторов быстроходных подшипников, быстроходных шкивов; · малая плотность, порядка 0,9-2,3 г/см², то есть в среднем пластмассы в 2 раза легче алюминия и в 5-8 раз легче черных и цветных металлов. Внедрение пластмасс позволяет существенно понизить вес машины; · прочность и жесткость пластмасс изменяются в широком диапазоне от E > 104 кг/см² (жесткие пластики) до E < 2 · 102 кг/см² (эластики, напоминающие по своим свойствам мягкую резину). Большинство пластмасс имеет средние характеристики прочности. Так предел прочности при растяжении текстолита 8-10 кг/мм², капрона 6-8 кг/м², винипласта 4-6 кг/мм², волокнита 3-3,5 кг/м², в то время как для основной машиностроительной стали 45 он составляет 60 кг/мм². Зато стеклопласты могут иметь предел прочности 80-90 кг/м², капроновые нити 40-70 кг/м² и т.д. При сжатии и изгибе соотношения более выгодны для пластмасс. Большой диапазон механических характеристик пластмасс определяет широкие области их применения: · высокая химическая стойкость характерна для всей этой группы материалов, хотя, естественно, не в одинаковой степени. Некоторые пластмассы отличаются непревзойденной универсальной химической стойкостью (например, фторопласт 4). Применение пластмасс является эффективным средством борьбы с коррозией. Пластмассы успешно используют в химическом машиностроении для всех деталей, контактирующих с агрессивными жидкостями, для сосудов, котлов, труб. Для работы при высоких давлениях пластмассы применяют в виде покрытий, изготавливают также бипластмассовые конструкции, у которых внутренний слой обеспечивает необходимую химическую стойкость, а наружный – механическую прочность; · низкая электропроводность, высокие диэлектрические свойства. Пластмассы сочетают электроизоляционные свойства с конструкционными, что сильно повлияло на быстрый рост и развитие промышленности пластмасс. Специальные пластмассы обладают непревзойденными диэлектрическими свойствами, что привело к широкому применению пластмасс в электромашиностроении, электроаппаратостроении, электронной, радиотехнической и особенно в электроизоляционной промышленности. В частности, пластмассы применяют для изоляции кабелей и проводов, для корпусов приборов и аппаратов, для электрощитов и т.д; · высокие антифрикционные свойства, характерные для многих пластмасс (фторопласт 4, полиамиды, полиформальдегиды, слоистые пластмассы), обусловлены: отсутствием химического сродства с металлами и предотвращением заеданий; хорошей прирабатываемостью; оптимальными условиями компенсации перекосов благодаря малому модулю упругости; возможностью создания на поверхности тонкого слоя пониженной прочности; самосмазываемостью некоторых пластмасс; возможность смазки водой или другой рабочей средой машины; возможностью вмятия абразивных частиц; мягкими продуктами износа. В ряде машин зафиксирована существенно повышенная износостойкость антифрикционных пластмасс по сравнению с бронзой. Вместе с тем в условиях жидкостного трения пластмассы работают хуже, чем металлические материалы, что связано с худшим теплоотводом и с тем, что жидкостное трение в паре металл-пластмасса возникает при больших скоростях, чем в парах металл-металл. В подшипниковых узлах пластмассы применяются в качестве покрытий для пропитки и изготовления вкладышей; · высокие фрикционные свойства ряда пластмасс (фенопласты с асбестовым наполнителем, пресскомпозиции на основе асбеста и каучуков и другие специальные пластмассы с асбестом и баритом) обеспечивают их применение как высококачественных тормозных материалов с высоким коэффициентом трения (0,35-0,80), малым износом, высокой температурной стойкостью, низким износом сопряженных деталей. Актуальность применения новых фрикционных материалов на основе пластмасс можно видеть на таком примере: на железнодорожном транспорте России расходуется ежегодно около 0,5 млн. т чугуна для тормозных колодок; · значительное внутреннее трение пластмасс обеспечивает бесшумность работы, в частности зубчатых колес, и повышенную виброустойчивость. Специальные пластмассы – пенопласты и поропласты являются лучшими звукоизоляционными материалами; · низкая теплопроводность (в 500-600 раз ниже, чем у металлов) позволяет использовать пластмассы для теплоизоляции. Но низкая теплопроводность существенно снижает работоспособность пластмасс в узлах трения. Возможно применение добавок для повышения теплопроводности; · красивый внешний вид, гладкая блестящая поверхность, образуемая обычными методами изготовления (прессование, литье под давлением), возможность получения любой окраски с помощью специальных красящих добавок. Поэтому детали из пластмасс не требуют покраски. Эти свойства весьма благоприятны для изделий широкого профиля, для декоративных изделий. К достоинствам пластмасс также следует отнести доступность конструирования материалов с заданными свойствами. Составляющие в пластмассах в значительно большей степени сохраняют свои свойства, чем, например, в сплавах. Недостатки пластмасс как машиностроительных материалов следующие: · низкая теплостойкость, большинство пластмасс могут работать лишь при невысоких температурах, в зависимости от типа пластмасс – до 60-200° С. Однако кремнийорганические смолы с асбестовыми и стеклянными наполнителями выдерживают температуру до 300-350° С, а отдельные пластмассы – до 550-650° С; · холодная ползучесть, то есть медленное пластическое течение даже при напряжениях существенно ниже предельно допустимых. Это затрудняет применение пластмасс для деталей высокой точности; · старение, то есть изменение первоначальных физико-механических свойств с течением времени, под действием повышенной или пониженной температуры, света, влажности и т.д. В большинстве случаев механические характеристики понижаются в пределах 15-30%; · повышенный коэффициент линейного расширения, который больше чем у стали в среднем в 5-10 раз. Около половины общего потребления пластмасс в машиностроении расходуется электротехнической и кабельной отраслями промышленности, далее следует автомобилестроение, приборостроение и химическое машиностроение. По назначению пластмассы разделяются на следующие группы: конструкционные, в том числе высокой, средней и низкой прочности, теплостойкие, декоративно-отделочные и облицовочные; фрикционные и антифрикционные; электротехнические; звуко- и теплоизоляционные; антикоррозионные и стойкие к агрессивным средам. Пластмассы выпускают в виде листов, прутков, труб, пресс-порошков и готовых изделий. Как правило, пластмассовые детали должны удовлетворять следующим технологическим требованиям: допускать изготовление с помощью неразъемных матриц и пуансонов, то есть не иметь теневых участков; форма детали должна благоприятствовать свободному течению массы; деталь должна иметь плавные очертания и закругления, если они допустимы, следует стремиться к одинаковой толщине стенок. Следует допускать технологические уклоны, если они не препятствуют правильной работе деталей. Для деталей типа пластин, для тонкостенных деталей с высотой до 30 мм уклоны не нужны. Рассмотрим применение пластмасс для отдельных групп деталей машин. Корпусные детали, несущие основные механизмы: картеры двигателей внутреннего сгорания, коробки передач станков и автомобилей из пластмасс не изготавливаются. Некоторую ограниченную возможность применения пластмасс для корпусных деталей могут представить комбинированные корпусные детали из разных материалов. Из пластмасс можно выполнять следующие корпусные детали: кабины грузовых автомобилей, подъемно-транспортных, строительных, дорожных и других машин; несущие корпусные детали транспортных машин, кузова (и их детали) автомобилей, корпуса лодок, фюзеляжи, шахтные вагонетки, корпуса ракет; корпуса машин, соприкасающиеся с агрессивными средами; кожухи, крышки, корпуса небольших, в частности, переносных машин; корпуса приборов. Выполнение кабин из пластмасс целесообразно в связи с легкостью, хорошей тепло- и звукоизоляцией, коррозионной стойкостью, долговечностью, красивым внешним видом. Выполнение из пластмасс несущих кузовов автомобилей связано с высокой удельной прочностью пластмасс типа стеклопластов и указанными выше свойствами. Упругие, температурные и даже остаточные деформации кузовов не представляют опасности, так как автомобиль состоит из отдельных узлов, которые связаны между собой компенсирующими муфтами. Пластмассовые стенки кузовов автомобилей делают толще металлических до трех раз, но общая масса уменьшается. Общее уменьшение веса легкового автомобиля благодаря пластмассе – на 10-15%, а грузово- го – до 5%. Основные материалы – стеклопласты. Наиболее высокие показатели имеют трехслойные стенки, наподобие известных металлических сотовых конструкций, широко применяемых в самолетостроении. Несущими являются внутренний и наружный слои, внутренний слой – высокопористый, очень легкий, получаемый в результате вспенивания пластмассы, связывает несущие слои в систему высокой жесткости. Широкое применение пластмассы нашли для крепления листов кузова и капота. Долговечность легкового автомобиля определяется во многом долговечностью его кузова, которая зависит от коррозии, источником которой являются места крепления листов кузова. Пластмассовые крепления существенно повысили долговечность кузовов. Выполнение из пластмасс или с пластмассовыми покрытиями корпусов центробежных насосов для перекачки агрессивных жидкостей обеспечивает коррозионную стойкость. Основные пластмассы для корпусных деталей: стеклопласты, винипласты, полистирол. Целесообразность изготовления кожухов и крышек, корпусов переносных машин и приборов из пластмасс определяется удобством эксплуатации и технологическими соображениями (при достаточной серийности выпуска). Для корпусов приборов часто играют также существенную роль электроизоляционные и диамагнитные свойства пластмасс. Выбор материала диктуется технологическими соображениями. К материалам деталей фрикционных передач предъявляются следующие требования: повышенный коэффициент трения во избежание необходимости больших сил прижатия, достаточная прочность и износостойкость, достаточный модуль упругости во избежание увеличенной площадки контакта и повышенных потерь на трение. Созданы специальные фрикционные пластмассы с асбестовым или целлюлозным наполнителем, имеющие коэффициент трения по стали 0,5 и выше. Эти пластмассы принципиально улучшают работу фрикционных передач. Одним из вариантов снижения шумности работы цепных передач является применение пластмассовых цепных звездочек, позволяющих повысить скорость цепных передач по критерию шума на 30%. Для улучшения смазки шарниров цепей применяют самосмазывающиеся полимерные материалы. Совершенствование пластмасс открыло перед ременными передачами новые перспективы и области применения. Успешно внедряются ремни из искусственных волокон на основе полиамидов, которые должны вытеснить старые материалы. Например, по разработкам ЭНИМС выпускаются синтетические ремни. Пределы изменения ширины – от 10 до 100 мм. Ремни шириной от 10 до 30 мм выполняются из мешковой ткани просвечивающего и полотняного переплетения; фрикционное покрытие – пленка из полиамида С-6 в соединении с нитрильным каучуком СКН-40, допустимая удельная окружная сила при диаметре меньшего шкива d=100 и 200 мм соответственно 3 и 4 кг/см, скорость до 100 м/с. Ремни шириной 40-100 мм выполняют из мешковой ткани с переплетением на основе двухниточной саржи со специальной пропиткой; покрытие – наиритовый латекс; удельная окружная сила при шкиве d=100 и 200 мм – 6 и 8 кг/см, скорость до 50 м/с, долговечность синтетических ремней на порядок выше хлопчатобумажных. Современные клиновые ремни изготавливают с несущим слоем из полиэфирных волокон и с использованием для наполнителей полиуретановых каучуков. Новые материалы позволили выпускать также узкую серию клиновых ремней. Пластмассовые зубчатые колеса в обычных условиях не применяют для силовых передачах, а, как правило, используют для относительно слабонагруженных передач из условий борьбы с шумом, компенсации погрешностей и упругих деформаций при необходимости самосмазываемости или химической стойкости. Например: привод распредвала автомобильных двигателей, привод веретен текстильных машин, приводы пищевых, печатных, бытовых машин и приборов, приводы спидометров, стеклоочистителей в автомобилях. Повышенная податливость зубьев пластмассовых колес благоприятствует их применению в консольных передачах (в частности с внутренним зацеплением), в которых может быть большая концентрация нагрузки, в многопоточных планетарных передачах без уравнительных устройств и т. д. Из-за низкой теплопроводности пластмасс и опасности заеданий пластмассовые зубчатые колеса должны работать в паре со стальными или чугунными достаточной твердости. Иначе продукты износа металлического колеса, вкрапленные в пластмассу, вызывают повышенный износ металлического колеса. Стальные колеса рекомендуется закаливать до HRC 45 и шлифовать или до закалки шевинговать. Положительные результаты показывает также напыление на одно из сопряженных стальных колес тонкого слоя капрона толщиной около 0,3 мм. Однако допустимые контактные напряжения ниже, чем при изготовлении колеса из капрона. В связи с повышенным коэффициентом линейного расширения пластмасс предусматривают увеличение уже в 1,5 раза боковых зазоров. Пластмассовые колеса делают уже сопряженного во избежание повышенного износа кромками сопряженного колеса. Основные применяемые материалы: текстолит, древеснослоистые пластики, капрон, капролон, полиформальдегид. Пластмассовые колеса выходят из строя преимущественно из-за контактных разрушений и последующего излома зубьев. Подшипники скольжения. В трущихся парах с пластмассой жидкостное трение возникает при больших скоростях скольжения, чем в металлических. Поэтому, например, в паровых турбинах, двигателях внутреннего сгорания, станах для холодной прокатки, шпинделях металлорежущих станков и т.д. пластмассовые подшипники не применяют. Из пластмасс и других синтетических материалов в основном изготовляют: · подшипники тяжелых тихоходных машин, в которых не всегда обеспечивается жидкостное трение, что связано с низкими скоростями, повышенными местными давлениями из-за упругих деформаций или технологических погрешностей; · подшипники, смазываемые рабочей средой, опорные подшипники гидравлических турбин, подшипники погружных насосов, подшипники некоторых пищевых машин; · подшипники, в которых невозможно жидкостное трение и должна быть обеспечена полная или частичная самосмазываемость; подшипники, используемые в вакуумной и космической технике; подшипники некоторых химических машин из-за опасности взрыва; подшипники ряда текстильных машин; подвеска автомобиля; шарниры рулевых тяг; · подшипники вспомогательных валов. В связи с повышенными температурными деформациями и разбуханием от влагопоглощения пластмассовые подшипники делают с повышенными зазорами. Из-за низкой теплопроводности пластмасс зачастую приходится специально заботиться об охлаждении. Высокие антифрикционные свойства имеют подшипники, изготовленные из материала, представляющего наружный поверхностный слой пористой бронзы (на стальной основе), пропитанный фторопластом 4 и свинцом с добавками графита, дисульфида молибдена и др. У этого материала благодаря тонкому слою фторопласта и его высоким антифрикционным свойствам указанные выше недостатки пластмассовых подшипников выражены весьма слабо. Основные достоинства: самосмазываемость, обеспечивающая большую надежность при выходе из строя смазочной системы, возможность работы в широком диапазоне температур и т.д. Осевые габариты подшипников, выполненных из этого материала, удается свести к габаритам подшипников качения. Для работы при высоких температурах в вакууме в условиях сухого трения применяют самосмазывающиеся материалы: полимерный материал АМАН-24, прессматериал ФН 202 (87% фторопласта 4,10% никеля в порошке и 3% дисульфида молибдена), металлокерамику ВАМК-1 (гранулированная бронза в серебре с дисульфидом молибдена) и другие материалы на основе фторопласта 4. Для изготовления вкладышей подшипников широко применяют пластические массы: текстолит, текстолитовую крошку, древесноволокнистые пластики, прессованную древесину; полиамиды в чистом виде и с антифрикционными наполнителями. Значительное внимание привлекают цельнолитые вкладыши из капрона. Это связано с большими технологическими возможностями литьевых пластмасс, позволяющих высокую автоматизацию, и с хорошими антифрикционными свойствами капрона. По данным ЭНИМС, скорость изнашивания капрона в условиях несовершенного трения в 3-4 раза ниже скорости изнашивания бронзы ОЦСБ6-6-3. Зазоры в капроновых подшипниках нужно увеличивать на 3% от толщины стенки для учета влагопоглощения и еще дополнительно на величину температурной деформации стенки вкладыша. Рекомендуемые сорта смазок: масло индустриальное 12 и 20. Антифрикционные свойства капрона можно существенно повысить добавкой дисульфида молибдена и графита. Подшипники качения. Пластмассовые материалы в подшипниках качения используют для сепараторов и реже тел качения. Пластмассовые сепараторы более технологичны, имеют меньшую массу, способны адсорбировать масло и поэтому имеют малый коэффициент трения и высокую износостойкость. Их появление можно отнести к тридцатым годам. Пластмассовые сепараторы применяют для быстроходных подшипников взамен латунных, опыт показывает большую износостойкость пластмасс по сравнению с латунью в условиях сепараторов. Рекомендуются литые сепараторы из полиамида, ведутся работы по литым армированным сепараторам. Современные сепараторы не требуют механической обработки. Разъемные сепараторы склеивают. Полиамидные сепараторы могут быть неразъемными, шары могут вводиться путем упругого деформирования сепараторов. Выполнение тел качения из пластмасс целесообразно: при восприятии больших ударных нагрузок; при особых требованиях к бесшумности работы; в специальных случаях (необходимости электроизоляции, исключения искрообразования и т.д.). Тела качения из пластмасс допускают изготовление колец из алюминиевых или магниевых сплавов, что позволяет снизить массу подшипника на 65-85%. Но грузоподъемность таких подшипников существенно ниже, а момент трения больше. Фрикционные материалы относятся к весьма ответственным, так как тормозные детали, как правило, обеспечивают безопасность людей. В связи с ростом скорости машин требования к фрикционным материалам непрерывно возрастают. Специальные пластмассы и металлокерамические материалы являются незаменимыми фрикционными материалами. Большинство фрикционных материалов содержит асбест. Для работы в особо тяжелых условиях разработан специальный фрикционный материал ретинакс, что значит тормозящий, замедляющий. Связующим элементом ретинакса служит модифицированная фенолформальдегидная смола (25%), наполнителем – барит (35%) и асбест (40%), а для особо тяжелых условий работы – латунь. Для предотвращения схватывания предусмотрена противозадирная присадка. Нагрев рабочей поверхности способствует образованию у ретинакса работоспособного слоя, обеспечивающего малый износ. Режимы эксплуатации: давление p£ 60 кг/см², скорость V£ 100м/с, температура до 700-1000°.

	_при θ₁(t)=θ₂	(t)=θ₃(t)=…θ_n(t),θ_c(t)=θ₁ⁿ(t) _{и тогда}
P_c(t)=1-	θ₁ⁿ(t).	(