Основные требования. 
Детали машин и основы конструирования

Условия эксплуатации. Требования к объектам определяются условиями их эксплуатации и обслуживания. В первую очередь следует выделить две основные группы воздействия на технические объекты: механические и климатические. Кроме них возможны и другие воздействия: химические, биологические, радиационные, магнитные, электрические, электромагнитные и др. Для надежного функционирования механизмов, узлов и деталей необходимо обеспечить стойкость изделий к механическим, климатическим и другим воздействиям.

Механические воздействия, связанные с эксплуатацией и транспортировкой, включают в себя нагрузки, вибрации, удары. Инерционные нагрузки при движении могут достигать больших величин, например у ЛА нескольких десятков g, и должны учитываться в расчетах на прочность. Стойкость к вибрации определяется вибропрочностью и виброустойчи-

востпъю. Вибропрочность характеризуется способностью конструкции противостоять разрушающему действию вибрации в заданных диапазонах частот и оставаться работоспособной после длительного действия вибрации. Виброустройчивостъ характеризуется сохранением работоспособности конструкции в условиях вибрационных нагрузок. Так, при транспортировке и работе механизмов его элементы испытывают вибрацию, которая опасна тем, что при ее воздействии происходит отвинчивание резьбовых деталей агрегатов и механических узлов. Отвинчивание устраняется с помощью обязательного стопорения, применяемого на ЛА, автомобилях, судах и других изделиях.

Климатические воздействия характеризуются следующими компонентами: температурой, давлением, влажностью, грязью и пылью. Требование стойкости к изменению температур определяется необходимостью сохранения механических характеристик материала и вязкости жидкостей. В процессе эксплуатации на машины и их элементы могут действовать высокие и низкие температуры. Низкие температуры приводят к хладоломкости. Материал и сварные швы с понижением температуры становятся хрупкими и легко разрушаются при циклическом и ударном нагружении. Пригодность материала по этому показателю определяется ударной вязкостью KCU — отношением работы разрушения надрезанного образца к площади поперечного сечения в месте надреза. Диапазон температур внешней среды при эксплуатации технических объектов в России обычно не превышает +60…-60 °С. Следует отметить, что в случае ударного или циклического нагружения некоторые металлы нельзя использовать даже при установленной отрицательной температуре -60 °С. Это относится, например, к зубчатым колесам из стали 45, ударная вязкость которой снижается с 50 Дж/см² при t = 20 °C до 10…20 Дж/см² при t = -60 °С. В промышленности для изготовления деталей машин обычно применяются конструкционные стали с KCU > 5…10 Дж/см² и крайне редко — материалы с KCU < 2 Дж/см². При высоких прочностных требованиях к конструкции — металлические детали, подвергающиеся ударному нагружению (например, элементы передач), должны иметь в диапазоне рабочих температур ударную вязкость не ниже 50… 100 Дж/см². Диапазон эксплуатационных температур следует учитывать и при подборе смазочных и неметаллических материалов. Так, смазочный материал при низких температурах становится более вязким или загустевает. Например, ЦИАТИМ-221 загустевает при t = -60 °С, а ВНИИНП-284 при t = -110 °С. Загустение смазочного материала нарушает нормальную работу механизмов, поэтому они не должны использоваться при температурах, ниже указанных в технических условиях. Резиновые шайбы, используемые в мягких амортизаторах, при понижении температуры вначале резко увеличивают жесткость, а при t = -60 °С становятся хрупкими. Пластмассы при сильном охлаждении могут терять эластичность и также становятся хрупкими. Для полимерных материалов опасны резкие изменения температуры, приводящие к их разрушению. Детали ряда машин в процессе эксплуатации подвергаются интенсивному нагреву. В результате понижается прочность деталей (уменьшается предел прочности и предел выносливости) и может появиться ползучесть. Она характеризуется непрерывной пластической деформацией при длительном нагружении. Теплостойкость таких элементов обеспечивается правильным подбором материалов, а при необходимости и путем специальных исследований и последующих мероприятий. Изменение температуры также приводит к изменению зазоров в подвижных соединениях, что связано с различными коэффициентами линейного расширения различных материалов элементов или с неравномерным нагревом.

На работу машин также может оказывать влияние давление. Элементы машин, работающие в вакууме, должны удовлетворять требованию стойкости к пониженному давлению. Низкое давление сильно влияет в основном на неметаллические материалы, когда в вакууме происходит сублимация их компонентов. Наиболее заметно она проявляется у полимерных материалов, резин, смазочных материалов и антифрикционных покрытий, что необходимо учитывать при конструировании узлов с долговременным пребыванием в вакууме. Например, в космическом вакууме нужно использовать специальную резину ИРП-1118. В вакууме на трущихся поверхностях деталей отсутствуют окисные пленки, поэтому возрастет коэффициент трения. Возникает опасность схватывания трущихся поверхностей, что вызывает их повреждения — заедание и задиры у зубчатых колес и подшипников скольжения. В ряде элементов конструкций (баках, трубопроводах) может иметь место высокое давление, которое также необходимо учитывать при проведении расчетов на прочность.

Влажность атмосферы вызывает коррозию металлов, разбухание и потерю прочности ряда неметаллов. Для устранения коррозии металлов следует проводить специальные мероприятия. Существуют следующие способы повышения коррозийной стойкости металлов:

• ? применение антикоррозийных материалов (например, нержавеющей стали 12Х18Н10Т);
• ? применение антикоррозийных покрытий — хромирование, анодирование, оксидирование, грунтовка, окраска и др.;
• ? использование специальной обработки для получения менее шероховатой поверхности (шлифование, полирование), не устраняющей коррозию, но замедляющей ее развитие;
• ? покрытие поверхностей защитными смазками, что используется для деталей, расположенных внутри корпуса, при работе механизмов, а также при консервации деталей и узлов;
• ? заключение деталей в герметизированные объемы, исключающие попадание влаги внутрь.

Особенно опасно сочетание влажности и высоких температур, наблюдающееся в приморских районах, в тропиках, где резко активизируются процессы коррозии.

Загрязнение деталей передач пылью, песком и другими твердыми частицами приводят к существенному увеличению износа трущихся частей. Для устранения абразивного износа передачи помещаются внутри корпуса, что исключает попадание твердых частиц внутрь. Износостойкость существенно влияет на долговечность работы механизмов. Износ является главной причиной выхода из строя машин (до 90%). Ежегодные расходы на обслуживание и восстановительный ремонт некоторых действующих машин превышают стоимость годового выпуска новых машин. Износ передач обычно приводит к потере точности и увеличению динамических нагрузок, а иногда и к поломкам, особенно при длительной эксплуатации, если не производится техническое обслуживание и ремонт.

К другим факторам относится стойкость к химическому и биологическому воздействию. Стойкость к химическому воздействию должны иметь детали, работающие в агрессивных средах. Трубопроводы в этом случае должны изготавливаться из материалов, не взаимодействующих с наполняющими их жидкостями. Например, азотная кислота разъедает трубы из обычной стали и не разрушает нержавеющую сталь 12Х18Н10Т. Стойкость к биологическому воздействию определяется тем, что некоторые насекомые и грызуны поедают элементы изделий из органических и изоляционных материалов. Возможно также появление плесени, которая вызывает коррозию металлов и разложение неметаллов.