Нагрузки, действующие на элементы машины, разделяют на полезные и собственные (вредные).
Полезные нагрузки способствуют реализации машиной производственного процесса.
Собственные нагрузки неизбежно сопровождающих работу машины и в основном состоят из собственного веса отдельных звеньев, динамических сил, сил трения в соединениях и местных сил, вызванных концентрацией нагрузки на поверхности контакта деталей. Естественно, не все силы собственного веса и динамические силы вредны. В машинах ударного (молотах) и вибрационного воздействия динамические нагрузки используют для осуществления полезного рабочего процесса. Собственный вес может также выполнять позитивную роль (например, противовес в подъемно-транспортных машинах) или осуществлять рабочие функции.
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 (рисунок 5) больше прогибов верхних витков на сумму удлинения витков на участке свинчивания и сжатия гайки.
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 при изготовлении гайки (например, (1) выполнением гайки, резьбовая часть которой полностью или частично размещается в отверстии под опорной поверхностью или изготовлением гайки с кольцевой выточкой; (2) выполнением отверстия в гайке слегка коническим, что обеспечивает переменную податливость витков; и т.п.).
