Критерии работоспособности

В процессе эксплуатации станочное оборудование подвергается разнообразным внешним и внутренним воздействиям. Наиболее характерными являются воздействия от сил резания, сил сопротивления (трения) и сил инерции перемещающихся узлов. При колебаниях температуры происходит коробление деталей, изменение вязкости масел, что может приводить к изменениям протекающих в станках процессов. Станки подвергаются также воздействиям химической (коррозии, окислительные процессы) и электромагнитной энергии.

Для нормальной эксплуатации необходимо создать условия, препятствующие возникновению недопустимых отклонений при эксплуатации и обеспечивающие работоспособность.

Жесткость. Под жесткостью понимают способность системы сопротивляться появлению упругих перемещений (деформаций) под действием нагрузки F, и она выражается отношением приращения силы dF к приращению перемещения dδ:

С = dF/dδ. (3)

Угловая жесткость — это отношение приращения момента dM к приращению угловой деформации d<p, вызванной действием момента

С_м = dM/dφ. (4)

Понятием, обратным жесткости, является податливость

λ = 1/С. (5)

При линейных зависимостях между силами и деформациями, характерных для растяжения-сжатия изгибного и крутильного деформирования деталей, отношение приращений можно заменить отношением величин:

C = F/δ, (7)

С_м = М/φ. (8)

На рис.1. а, б приведены схемы деформаций изгиба и кручения балок, для которых величина деформации и жесткость определяются соответственно по формулам:

и , (9)

и (10)

Методы повышения жесткости:

1. Создание предварительного натяга (в подшипниках, направля­ющих качения и т.п.).

2. Уменьшение числа элементов и стыков в силовом потоке и повышение качества обработки стыков.

3. Применение рациональных сечений деталей.
Прочность. Поломки деталей станков являются следствием неправильной эксплуатации или расчета. В зависимости от условий работы отдельных деталей характер их разрушений и методика расчета сильно отличаются.

1. Усталостные разрушения возникают при переменных нагрузках (например, из-за прерывистости резания). Наиболее часто от усталости разрушаются зубчатые колеса, валы, подшипники качения и т.п. Так как на детали станка действуют различные по величине и продолжительности нагрузки, то необходимо учитывать их суммарное влияние на усталость.

Обычно используется линейная гипотеза суммирования усталостных повреждений. При этом оперируют с эквивалентными числами циклов нагружений или с эквивалентными нагрузками.

При этом уравнение кривой усталости имеет вид

∑σ_ini= С = const, (11)

где т – показатель степени. Для контактных напряжений т = 3, при расчете на изгиб т = 6...9 (зависит от термообработки), σ_ini – на­пряжение, действующее n циклов.

2. Пластические деформации деталей из вязких материалов (искривления валов, обмятие шпонок, осадка пружин и т.п.).

3. Хрупкие разрушения, наблюдаемые в деталях из маловязких материалов, при действии ударных нагрузок (зажимные цанги, корпуса патронов, вилки переключений скоростей и т.п.).

Ответственной задачей является выбор коэффициентов запаса прочности (коэффициента незнания):

S = S₁,S₂, S₃, где S₁ = 1...1,5 отражает достоверность определения расчетных нагрузок и напряжений; S₂ зависит от однородности механических свойств материала (для деталей из поковок и проката S₂ = 1...1,5; для других деталей S₂ = 1,5...2,5); S₃ = 1,2…1,5 отражают специфические требования безопасности.

Износостойкость. Подавляющее число станков и их деталей выходят из строя вследствие износа. Изнашивание — процессразрушения отделения материала с поверхности твердого тела. Износ ограничивает долговечность деталей станков по следующим критериям работоспособности: 1) по потере точности; 2) по снижению КПД и прочности (зубчатые, червячные передачи); 3) по возрастанию шума.

Теплостойкость. В результате нагрева возникают следующие вредные для работы станка явления.

А. Понижение точности станка. При этом на точность влияют температурные деформации, вызываемые как неравномерным, так и равномерным нагревом деталей. Температурные деформации сказываются на точности:

1) из-за разных коэффициентов линейного расширения а деталей;

2) вследствие непостоянного температурного поля в пространстве. Разница температуры t₁ и t₂ в 10 ° по высоте станка при эксплуатации портального станка с шириной портала l = 6000 мм приводит к деформации:

2∆l = al∆t~ 11,2- 10^-6 ■ 6000 • 10° ~0,7 мм; (12)

3) из-за разной тепловой инерции деталей или их элементов. Обычно нагревание деталей во времени t и их элементов подчиняется экспоненциальному закону, поэтому деформация δt определяется по формуле

4) δt = δσ(1 – e ^{– a·t}), (13)

5) где а – параметр, зависящий от коэффициента теплоотдачи, теплоемкости, масла, размеров деталей или их элементов.

Поэтому постоянные времени Т отдельных элементов детали различны, что приводит к деформациям даже при равномерном изменении температуры окружающей среды.

Б. Изменение величин зазоров в подвижных соединениях и искажение геометрии сопряжений.

В. Снижение защитной способности масляного слоя, разделяющего трущиеся детали и, как следствие, повышенный износ (направляющих, зубчатых колес).

Г. Понижение стойкости инструмента.

При анализе тепловых процессов используют уравнение теплового баланса и закономерности, определяющие процессы теплоотвода и теплопередачи.

Виброустойчивость. Под виброустойчивостью пони­мают способность станка работать в требуемом диапазоне режимов без недопустимых колебаний.

В станках основное распространение имеют

1) вынужденные колебания, вызываемые внешними периодическими силами (неуравновешенностью вращающихся деталей, погрешностью изготовления передач, прерывистым процессом резания и т.п.);

2) параметрические колебания (см. рис.2), возникающие при наличии переменного параметра, аналогичного действию изменяющейся силы;

3) автоколебания или самовозбуждающиеся колебания, являющиеся наиболее распространенными в станках. В них возмущающие силы вызываются самими колебаниями, например, фрикционные автоколебания, связанные с падением силы трения при повышении скорости.

Расчеты на колебания проводят для упругой системы станка в целом, в которых учитываются упругие и контактные деформации, демпфирование в стыках, взаимодействие упругой системы с процессом резания и с приводом.

Одним из основных методов улучшения динамических характеристик является повышение жесткости конструкций. Это реализуется при использовании, например, стальных базовых деталей, обеспечивающих, кроме того, меньшую массу.

Повысить виброустойчивость можно перераспределением масс внутри станка. Следует уменьшить массу тех узлов, в которых ожидаются максимальные амплитуды.

Эффективным способом улучшения виброустойчивости является повышение демпфирования. Оно достигается за счет применения гидростатических направляющих и скольжения, расположением стыков и направляющих перпендикулярно основным формам колебаний, за счет использования новых материалов (полимербетона, в котором демпфирование выше в 7—10 раз). Применение демпферов (с вспомогательной массой, фрикционных) также повышает виброустойчивость, но в узком диапазоне частот колебаний.