Cơ khí chế tạo máy - Chương II: Các chỉ tiêu chủ yếu đánh giá khả năng làm việc của chi tiết máy

Chương II Các chỉ tiêu chủ yếu đánh giá khả năng làm việc của chi tiết máy Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Gồm: Độ bền, độ cứng, độ bền mòn, độ chịu dao động, độ chịu nhiệt. Độ bền Khái niệm: Khả năng tiếp nhận tải trọng của CTM mà không bị phá hỏng (biến dạng dư quá giới hạn cho phép hoặc phá hủy). Phân loại: + Độ bền tĩnh + Độ bền mỏi + Độ bền thể tích + Độ bền bề mặt 1 Các dạng hỏng phụ thuộc tính chất thay đổi ứng suất và vùng chịu ứng suất Tính chất thayđổi của ƯS Vùng chịu US Độ bền tĩnh (CT chịu ƯSKĐ) Độ bền mỏi (CT chịu ƯSTĐ) Thể tích - Biến dạng dư thể tích - Gãy, đứt vì mỏi Bề mặt -Dập -Biến dạng dẻo bề mặt - Tróc rỗ bề mặt vì mỏi Ví dụ: Chi tiết chịu ƯSTX Thay đổi có thể hỏng do tróc rỗ bề mặt vì mỏi 2 Phương pháp tính độ bền s s lim lim max max ][ ][ ][ ][           - Nếu CTM chịu ƯS không đổi, σlim lấy theo giới hạn bền, chảy. - Nếu CTM chịu ƯS thay đổi, σlim lấy theo giới hạn mỏi. Phương trình cơ bản: 3 Cũng có khi độ bền mỏi tính theo điều kiện: s≥ [s] Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM - Tính độ bền thể tích + Tính độ bền thể tích khi ứng suất không đổi: + Tính độ bền thể tích khi ứng suất thay đổi: (áp dụng phương trình cơ bản) - Dạng hỏng vì mỏi - Khái niệm giới hạn mỏi, đường cong mỏi - Các nhân tố ảnh hưởng đến giới hạn mỏi - Các biện pháp nâng cao sức bền mỏi - Tính bền thể tích mỏi khi ƯSTĐ ổn định - Tính bền thể tích mỏi khi ƯSTĐ không ổn định 4 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Dạng hỏng vì mỏi - Xảy ra khi chi tiết chịu ứng suất thay đổi, số chu kỳ đủ lớn - Xảy ra đột ngột, trước khi hỏng không xuất hiện biến dạng dư - Ứng suất lớn nhất sinh ra còn nhỏ hơn nhiều so với ứng suất cho phép theo điều kiện bền tĩnh Hỏng do không đủ bền tĩnh Hỏng do không đủ bền mỏi Vùng phát triển vết nứt vì mỏi (beach marks) Vùng phá hủy nhanh chóng 5 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM 6 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM 7 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM 8 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Giới hạn mỏi, đường cong mỏi - Giới hạn mỏi: Giá trị ứng suất lớn nhất sinh ra trong chi tiết mà tại đó vật liệu chưa xuất hiện dấu hiệu nứt mỏi ứng với số chu kỳ ứng suất nhất định - Quan hệ giữa ứng suất và số chu kì gây hỏng chi tiết được biểu diễn bằng đường cong mỏi N<N0: G.h. mỏi ngắn hạn N≥N0: G.h. mỏi dài hạn 02211 ...... NNNN m rk m k mm   9 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Đồ thị ứng suất giới hạn 10 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Các nhân tố ảnh hưởng đến giới hạn mỏi - Ảnh hưởng của vật liệu: + Hợp kim đen có độ bền mỏi cao hơn hợp kim màu + Thép có độ bền mỏi cao hơn gang + Thép HK có độ bền mỏi cao hơn thép các bon + Thép các bon có hàm lượng cao có độ bền mỏi cao hơn thép các bon hàm lượng thấp + Kim loại có độ bền mỏi cao hơn vật liệu phi kim loại 11 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Ảnh hưởng của hình dáng kết cấu + Tiết diện thay đổi đột ngột gây tập trung ứng suất, giảm sức bền mỏi + Hệ số tập trung ứng suất lý thuyết: axm      max     12 + Hệ số tập trung ứng suất thực tế: r rc k    r rc k    ( 1)k  Ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối + Chi tiết có kích thước càng lớn thì giới hạn mỏi càng thấp + Chi tiết có kích thước càng lớn: khả năng khuyết tật càng cao: nứt tế vi, rỗ gây tập trung ứng suất, dễ phát sinh mỏi. - Tỷ lệ giữa lớp bề mặt cơ tính tốt với toàn thể tích chi tiết càng giảm. + Hệ số kích thước tuyệt đối: 0 rd rd      0 rd rd      13 1  Ảnh hưởng của công nghệ gia công bề mặt + Lớp bề mặt thường là lớp chịu ứng suất lớn nhất + Ảnh hưởng: - CTM được gia công tinh, độ nhẵn bề mặt cao sẽ có giới hạn mỏi cao hơn gia công thô, độ nhẵn thấp. - CTM được tăng bền bề mặt như phun bi,lăn, nén sẽ được tăng độ bền mỏi + Đánh giá ảnh hưởng bằng hệ số bề mặt  + Các vết nứt tế vi do mỏi thường xuất hiện từ lớp này 14 Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất + Biên độ ứng suất a và ứng suất trung bình m ảnh hưởng đến giới hạn mỏi; + Khi σm>0 càng lớn, biên độ nhỏ cũng làm hỏng CTM; + Khi σm<0 trị số giới hạn của σa lớn hơn giới hạn mỏi trong chu trình đối xứng. 15 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Các biện pháp nâng cao sức bền mỏi + Các biện pháp kết cấu - Bố trí những chỗ gây tập trung ƯS ở xa vùng chịu ƯS lớn - Tại những chỗ chuyển tiếp nên dùng góc lượn có bán kính lớn nhất có thể dùng góc lượn elip - Dùng then hoa răng thân khai thay cho then hoa răng chữ nhật - Với các mối ghép có độ dôi phải vát mép, làm mềm hoặc khoét rãnh thoát tải ở mayơ + Các biện pháp công nghệ - Dùng các phương pháp nhiệt luyện hoặc hóa nhiệt luyện - Dùng các phương pháp để tăng chất lượng bề mặt như mài, đánh bóng, lăn ép, phun bi 16 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Tính độ bền thể tích khi ƯSTĐ ổn định - CTM làm việc với số chu kỳ ứng suất N ≥ N0 : lim r  - Nếu CTM làm việc với số chu kỳ ứng suất N < N0 : 17 lim 0 0 rN m m m rN r rN r r L N N N K N             Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Tính độ bền thể tích khi ƯSTĐ bất ổn định Sơ đồ tính độ bền khi ƯS thay đổi bất ổn định 18 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM + Tổn thất mỏi ở chế độ ứng suất thứ i: i i N N ' ' 1 1 n i i i N N  + Theo điều kiện cộng bậc nhất đơn giản các tổn thất mỏi: + CTM chịu các ƯS , ứng với các chu kỳ ứng suất N1 ’, N2 ’,,Nn ’ . 1 2, ,..., n   ' ' ' 1 2 1 2 ... 1n n N N N N N N      19 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM ' '' ' 1 2 11 2 ... 1 1 n n i n i N NN N N N N N       ' 1 1 mn i i m i i N N    20 0 m m i i rN N const   ' 0 1 n m m i i rN N const    Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM 21 ' d d 1 n m m i i t tN const N   ' '1 1max max n m m i i n i E im N N N                         n i i m i E N Q Q NHay 1 ' ' max ' max 1 k m m i i EN N  → Có thể thay thế tác dụng của các σi trong suốt thời gian phục vụ của chúng bằng td của σtd với số chu kỳ tương đương NE : Cách này thường dùng tính các bộ truyền Cách 1: Chọn trước σtd = σtmax tính Ntd=NE : Cách 2: Cũng chọn trước số chu kỳ tương đương bằng tổng số các chu kỳ thay đổi ứng suất N∑: ' 1 n m m i i td i N N         n i iNN 1 22 ' ' max 1 1 max m mn n i i i imm td i i N N N N                   ' ' ' max 1 max m k i im td i Q N Q Q Q N           Khi tính độ bền thể tích, số mũ m’=m do quan hệ giữa tải trọng và ứng suất là bậc nhất, khi tính độ bền tiếp xúc: m’=m/2 (tx đường) m’=m/3 (tx điểm) → Cách này thường dùng tính ổ lăn Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Xác định ứng suất giới hạn lim: - Nếu Ntđ ≥ N0: - Nếu Ntđ < N0: lim rN r LK    lim=r 23 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Tính độ bền bề mặt Phương trình cơ bản: + Tiếp xúc trên diện tích rộng => tính bền dập: ][ HH   + Tiếp xúc điểm/đường => tính bền tiếp xúc: ][ dd   24 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Tính độ bền tiếp xúc Tính bền tiếp xúc khi ứng suất không đổi: [ ]  - Ứng suất sinh ra tính theo ứng suất dập nếu dt tx rộng, nếu dttx nhỏ tính ưstx cực đại H theo công thức Hec (Hertz). - Ứng suất cho phép [tx] xác định theo độ bền tĩnh tiếp xúc (tránh biế dạng bề mặt) từ thực nghiệm. 25 Tính bền tiếp xúc khi ứng suất thay đổi Dạng hỏng tróc rỗ bề mặt vì mỏi (Lực ma sát có chiều ngược chiều lực vòng) 26 1 1 2 2r r  Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Tính độ bền mỏi tiếp xúc Khi ứng suất tiếp xúc thay đổi ổn định - CTM làm việc với số chu kỳ ứng suất N ≥ N0 : lim r rH H N H HL K    - CTM làm việc với số chu kỳ ứng suất N < N0 : rHH   lim 27 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM b.2.1. Khi ứng suất tiếp xúc thay đổi bất ổn định Tương tự khi tính bền thể tích, lưu ý: - Với cách tính 1:          n i i m i E N Q Q NHay 1 ' ' max            n i i m H iH E NN 1 ' max   28 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM - Với cách tính 2: CHÚ Ý: m’=m/2 nếu tiếp xúc đường m’= m/3 nếu tiếp xúc điểm ' 1 '' m n i i m H td N N Q i     Hay tính theo tải trọng: m n i i m H tdH N N i    1 '  29 ĐỘ CỨNG Khái niệm - Khả năng của CTM chống lại biến dạng đàn hồi khi chịu tải - Chi tiết máy được coi là không đủ độ cứng, khi lượng biến dạng đàn hồi của nó vượt quá giá trị cho phép. 30 - Độ cứng thể tích: liên quan đến biến dạng của toàn bộ khối vật liệu chi tiết; - Độ cứng bề mặt (tiếp xúc): liên quan đến biến dạng của lớp bề mặt của chi tiết; Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Tầm quan trọng của độ cứng + Giảm độ chính xác làm việc của CTM và của toàn máy. + Có thể gây kẹt, không làm việc được. + Gây hoặc tăng tải trọng phụ trong máy. + Ảnh hưởng xấu đến các tiết máy liên quan: Trục không đủ cứng làm tăng tập trung tải trọng cho các CTM lắp trên nó như: bánh răng, ổ 31 - Là một chỉ tiêu quan trọng đánh giá khả năng làm việc của CTM. - Một số CTM tính thiết kế theo độ cứng. - Một số CTM được tăng kích thước khá nhiều sau khi tính bền nhằm đạt độ cứng yêu cầu. Phương pháp tính độ cứng Độ cứng thể tích - Khi chịu kéo (nén): l  [l] - Khi chịu uốn: f  [f] - Khi chịu xoắn :   [] 32    VT xác định theo các công thức của SBVL VP xác định theo đk làm việcc của chi tiết Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Độ cứng tiếp xúc - Độ cứng tiếp xúc khi tiếp xúc nhỏ: tính theo lý thuyết Héc. - Độ cứng tiếp xúc khi tiếp xúc mặt: tính theo các công thức thực nghiệm. 33 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Các biện pháp nâng cao độ cứng - Chọn tiết diện chịu lực hợp lý. Nên dùng tiết diện rỗng. - Giảm chiều dài và/hoặc tăng mô men chống uốn. - Sử dụng gối đỡ phụ, gân tăng cứng nếu có thể. - Khi cần tăng kích thước để đủ cứng, nên chọn vật liệu có cơ tính thấp sẽ tránh được thừa bền. 34 Độ cứng thể tích - Nâng cao chất lượng bề mặt (giảm độ nhám, tăng bền..). - Lắp ghép có độ dôi ban đầu (nong cứng bề mặt). - Chọn phối hợp vl thích hợp (giảm độ cứng của CTM không quan trọng). - Dùng dầu bôi trơn hợp lý. 35 Độ cứng tiếp xúc Khái niệm Độ chịu mài mòn - Mòn: là kết quả td của ưstx hoặc áp suất xảy ra khi các bề mặt tx trượt tương đối với nhau trong đk không đủ dầu bôi trơn. -Độ chịu mài mòn: Độ bền mòn là khả năng chống lại sự suy giảm chiều dày lớp bề mặt tiếp xúc của CTM khả năng CTM có thể làm việc trong thời gian yêu cầu mà không bị mòn quá mức cho phép. 36 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM - Làm giảm độ chính xác của máy, dụng cụ đo - Làm giảm hiệu suất của máy - Ví dụ động cơ - Làm tăng khe hở trong các mối ghép động, dẫn đến tăng ồn, gây tải động phụ - Làm mất lớp bề mặt có cơ tính tốt – đẩy nhanh quá trình mòn. - Giảm độ bền CT, nhiều CTM hết khả năng phục vụ do quá mòn. 37 Tác hại của mòn Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Tác hại của mòn Mòn trong bánh răng 38 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Mòn trong ổ lăn 39 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Mòn vòi phun 40 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Quá trình mòn 3 giai đoạn: Chạy rà-> Mòn ổn định–> Khốc liệt 41 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM - Giai đoạn 1: Chạy rà - San bớt nhấp nhô bề mặt sau gia công - Lượng mòn tăng nhanh - Tốc độ mòn giảm nhanh - Cần đặt tải nhẹ, bôi trơn, làm mát tốt 42 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM - Giai đoạn 2: Mòn ổn định (quá trình làm việc) - Lượng mòn tăng chậm, tỷ lệ bậc nhất - Tốc độ mòn nhỏ, gần như hằng số: - Thời gian kéo dài của quá trình này chính là tuổi thọ mòn của CTM 43 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM - Giai đoạn 3: Mòn khốc liệt (phá hỏng) -Lượng mòn và tốc độ mòn tăng rất nhanh - Không nên để CTM làm việc ở gia đoạn này. Nên thay thế CTM khi nó làm việc ở cuối giai đoạn mòn bình ổn. 44 Biện pháp giảm mòn - Mòn phụ thuộc: Áp suất (ƯSTX), vận tốc trượt, hệ số ma sát. - Đảm bảo chế độ bôi trơn (Giảm ma sát). - Chọn cặp vật liệu hợp lý (Hệ số ma sát) - Cải thiện chất lượng bề mặt (Giảm ma sát) 45 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Tính độ bền mòn - Tính toán độ bền mòn nhằm thỏa điều kiện ma sát ướt; Nếu không thể thì phải hạn chế áp suất (ứng xuất tiếp xúc) trên bề mặt tiếp xúc; - Quan hệ giữa áp suất (ƯSTX) và quãng đường trượt: - Việc tính toán rất phức tạp, chưa có phương pháp thỏa đáng => tính quy ước: 46 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Khái niệm ĐỘ CHỊU NHIỆT - Là khả năng làm việc bình thường của CTM trong một phạm vi nhiệt độ nhất định. - Nhiệt trong các máy công tác thường do ma sát sinh ra. 47 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Tác hại của nhiệt - Làm giảm cơ tính vật liệu -> Giảm khả năng chịu tải - Làm giảm độ nhớt chất bôi trơn -> Tăng mòn -Biến dạng nhiệt -> cong, vênh, kẹt, tập trung tải trọng - Làm thay đổi tính chất các bề mặt tx -Giảm độ chính xác của máy 48 Tính toán độ chịu nhiệt - Xác định nhiệt độ sinh ra trong quá trình làm việc, nếu quá lớn → hạn chế nhiệt độ trong phạm vi cho phép: [ ]o otb tbt t - Nhiệt độ trung bình cho phép [t0tb] xác định bằng thực nghiệm 49 - Nhiệt độ trung bình sinh ra được xđ dựa vào đk cân bằng nhiệt: 1 Với  và  1 là nhiệt lượng sinh ra và nhiệt lượng tản đi trong một đơn vị thời gian. Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM -  sinh ra trong 1h tính theo cs mất mát Pm: 3600 ( / )mP KJ h )/(860)1( 18,4 3600 hKcalPP   50 3600(1 ) ( / )P KJ h  - Nhiệt lượng 1 truyền đi trong 1h: 1 ( ) o o t t tb oAk t t   to -nhiệt độ môi trường kt -hệ số tản nhiệt (7,5-15 Kcal/m 2.h.độ) At -diện tích tản nhiệt (txúc với môi trường), m 2 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM - Khi đã biết At → xđ nhiệt độ làm việc trung bình của các CTM để kiểm nghiệm: 860(1 ) ( )o o otb o t t P t t C Ak    - Nếu đang thiết kế máy, có thể chọn trước nhiệt độ làm việc t → xđ diện tích tản nhiệt cần thiết dựa At: [ ]o otb tbt t 51 0 860 ( ) m t t P A K t t   ĐK cân bằng nhiệt: 860(1 ) ( )o ot t tb oP Ak t t   Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Các biện pháp giảm nhiệt độ 860(1 ) ( )o o otb o t t P t t C Ak    - Tăng hiệu suất máy  - Tăng diện tích tản nhiệt At - Tăng hệ số tản nhiệt kt ? - Làm mát cưỡng bức? Từ công thức: 52 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Khái niệm Độ ổn định dao động Là khả năng của CTM có thể làm việc bình thường trong một phạm vi tốc độ cần thiết mà không bị rung động quá mức cho phép. 53 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Nguyên nhân gây dao động - Máy có chuyển động gián đoạn - Máy hoặc tiết máy quay không cân bằng - Chi tiết máy không đủ cứng - Vận tốc làm việc cao - Do các dao động lân cận truyền đến 54 Tác hại của dao động - Gây ưs phụ thay đổi theo ckỳ → CTM hỏng vì mỏi - Gây dao động cưỡng bức → cộng hưởng - Làm giảm độ chính xác của máy - Gây ồn 55 Cầu Tacoma (bang Washington USA) (bị gẫy 7/11/1940) 56 57 58 Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM Tính toán dao động - Xác định biên độ dao động và hạn chế trong phạm vi cho phép. - Xác định tần số dao động riêng của máy hoặc cơ cấu để tránh cộng hưởng bằng cách không cho tần số dao động cưỡng bức bằng số nguyên lần tần số dao động riêng hoặc để tìm nguyên nhân dao động. 59 [ ]f n f [ ]a a Các biện pháp hạn chế dao động + Tránh sử dụng vật quay không cân bằng. + Triệt tiêu các nguồn gây dao động: Cách ly với các máy khác. + Thay đổi thông số động lực học để tránh cộng hưởng. + Sử dụng các biện pháp giảm chấn. Chương 2: Các chỉ tiêu chủ yếu về khả năng làm việc của CTM 60 Scanning Vibrometer 61 Lắp thiết bị giảm dao động cho một dây cáp ở cầu dây văng Bến Cốc (An Phú, An Giang) 62