2. Поломки деталей машин

Одной из существенных причин поломок деталей машин является сильная перегрузка их, действие которой особенно опасно при чрезмерном износе и значительной коррозии этих деталей. Перегрузка происходит при неправильной заправке машин (например, когда легкий ткацкий станок заправлен для выработки очень тяжелых тканей), плохой балансировке вращающихся тяжелых деталей (например, барабана чесальной машины).

Поломки происходят также из-за плохого качества изготовления и ремонта деталей и машин, а также вследствие плохого ухода за машинами. Иногда причиной поломок могут быть ошибки, допущенные при конструировании и расчете машин.

Поломки происходят главным образом в тех местах детали, где концентрируются большие напряжения. Чаще других ломаются детали, работающие при циклических нагрузках. Это объясняется тем, что многократное изменение напряжения материала вызывает в нем явление прогрессивного разрушения, известное под названием «усталости» материала.

Опасность усталостных разрушений заключается в том, что они происходят как бы внезапно, без внешне видимых признаков, сигнализирующих о возможности такой поломки. Внезапность поломки приводит часто к повреждению других деталей и тяжелым авариям машин. Усталостные разрушения деталей наступают обычно, когда напряжение в них ниже предела прочности материала, из которого они изготовлены, но иногда может наступить и при напряжениях ниже предела текучести и упругости этого материала.

Различные поверхностные повреждения (царапины, ссадины, шероховатость), неоднородность структуры, резкие переходы в форме и размерах и др. влияют на усталостную прочность более неблагоприятно и резко, чем на статическую прочность.

Деталь, поломавшаяся вследствие усталости, в изломе имеет своеобразный вид. В нем легко различаются две зоны (рис. 16, а): одна 1 мелкозернистая, гладкая или фарфоровидная и другая 2 с волокнистым строением для вязких металлов или с крупнокристаллическим для хрупких. Первая зона усталостного разрушения развивается постепенно; вторая - соответствует последнему моменту разрушения детали.

Различное строение зон усталостного излома не является перерождением металла в процессе работы детали. Гладкая поверхность первой зоны получилась в результате сглаживания неровностей на поверхностях трещины, вызванного повторяющимся нажатием их друг на друга под действием переменной нагрузки при относительном смещении этих поверхностей. Например, у вращающегося вала трещина раскрывается и сжимается в единицу времени столько раз, сколько оборотов делает этот вал.

Вторая зона имеет такой вид, какой получается при разрушении под действием статической нагрузки.

Как отмечалось, усталостные разрушения деталей происходят преимущественно при наличии в них переменных напряжений.

Каждое однократное изменение таких напряжений называется циклом.

Максимальное напряжение, при котором материал, не разрушается при неограниченном числе циклов, называется пределом выносливости, или пределом усталости (?_w).

На рис. 16, б приведен график, устанавливающий зависимость между напряжением и числом циклов, вызывающим разрушение детали.

Перегрузка деталей по-разному влияет на их усталостную прочность. При малых перегрузках наблюдается повышение прочности, а при больших - понижение. Когда рабочее напряжение близко к пределу выносливости детали и она испытывает постоянно повышающуюся переменную нагрузку, сопротивление усталости может быть заметно повышено. Это явление называется тренировкой материала. Значит, приработка и обкатка собранных узлов механизмов или машин, совершаемые при постепенном нарастании интенсивности силового и скоростного режимов, полезны и как упрочняющие операции.

При значительных перегрузках деталей, т.е. при напряжениях, намного превышающих предел усталости, выносливость деталей заметно понижается.

Виды поломок различают в зависимости от степени циклической перегрузки (К₀), представляющей отношение величины напряжения, действующей в детали (?_к) к пределу усталости (?_w), т. е.

поломки бывают (рис. 16, б) собственно усталостные (при 1,2 ? К₀ > 1,0), преждевременно усталостные (1,6 ? К₀ > 1,2) и, наконец, поломки вследствие циклической перегрузки (при К₀ > 1,6). Указанные значения КО относятся к отожженной конструкционной стали средней твердости. Каждому из этих случаев поломок присущ определенный вид излома. В первом случае излом имеет две ясно выраженные зоны, описанные ранее.

Во втором случае излом имеет тоже две зоны, но здесь зона усталостного разрушения в отличие от первого случая будет менее резко отличаться от зоны статического разрушения. Наконец, в третьем случае зона усталостного разрушения полностью отсутствует или чрезвычайно мала.

Усталостные разрушения обычно наблюдаются в местах резких изменений формы деталей, например, в местах расположения шпоночных канавок; резьбы, насадок, отверстий, резких уступов и т. п. (1, 2, 3, 4, 5 и 6, рис. 16, в). Кроме того, выявлено, что на выносливость существенно влияют и размеры детали (масштабный фактор). Так, с увеличением диаметра детали уменьшается ее усталостная прочность. Причина этого кроется в том, что с увеличением размеров детали повышается неоднородность свойств металла и больше проявляется перепад напряжения от наружных упрочненных, более твердых слоев к внутренним, неупрочненным, менее твердым слоям.

Опасность возникновения усталостных поломок уменьшают следующими средствами: сглаживают все места деталей, в которых могут сосредоточиться напряжения, эти места наклепывают, например, роликами; тщательно балансируют быстровращающиеся детали; устраняют биение и несносность деталей; строго регулируют амортизаторы, смягчающие ударные нагрузки; применяют виброгасящие устройства; хорошо выверяют сопряженные детали; регулярно проверяют и подтягивают ослабевшие крепления, регулируют размеры зазоров между вращающимися деталями, не допуская работы при больших зазорах и др.