Основные критерии работоспособности (функционирования) и расчета элементов приборных устройств
Основными критериями работоспособности элементов являются прочность, жесткость, износостойкость, вибропрочность, теплостойкость, точность и надежность.
Прочность. В процессе эксплуатации изделия под действием нагрузок, приложенных к его деталям (даже и незначительных, как, например, в измерительных пружинах), могут возникнуть недопустимо большие деформации и разрушения. Следует также учитывать инерционные перегрузки, связанные с транспортировкой или эксплуатацией на подвижных объектах. Ускорения, толчки и вибрации, возникающие при этом, зависят от типа объекта, расположения, характеристик проектируемой аппаратуры, продолжительности работы и т. п.
При прочностных расчетах кроме статических нагрузок следует учитывать инерционные. Остаточные деформации влекут за собой изменение формы и размеров деталей, могут вызвать нарушение нормального взаимодействия элементов прибора, изменение требуемого характера сопряжения деталей. Разрушение деталей наблюдается в виде поломок или повреждений рабочих поверхностей (выкрашивания, изнашивания и др.). Учитывая возможность различной напряженности основных деталей одного и того же изделия, при проектировании стремятся обеспечить их равнопрочность. Задача обеспечения необходимой прочности сводится к тому, чтобы определить размеры и форму деталей, исключающие возможность возникновения недопустимо большой остаточной деформации, поломок и поверхностных разрушений. Нагрузки и соответствующие им напряжения обычно не остаются постоянными, но для деталей, работающих с мало меняющимися напряжениями (пружины, заклепки и т. п.), их допустимо считать постоянными. Переменные напряжения и переменные нагрузки характеризуются определенными закономерными циклами и при расчетах учитываются специальными коэффициентами. Расчеты на прочность производят с учетом коэффициентов запаса прочности или по номинальным допускаемым напряжениям.
В процессе расчета различают номинальные (условные, установленные нормалями эксплуатации) и расчетные (статические, постоянные во времени, эквивалентные по своему действию фактически действующим в опасном сечении) нагрузки. Выбор коэффициентов запаса прочности — весьма ответственная для конструктора задача. Для деталей из хрупких материалов, работающих в условиях постоянных напряжений, его принимают относительно предела прочности большим, порядка 3 и выше. Для деталей из пластических материалов, работающих в тех же условиях, его принимают относительно предела текучести равным 1,2... 1,5 (рекомендуется несколько увеличивать его для материалов с большим отношением δσт/σв). При расчете деталей на усталость запас прочности берут по отношению к пределу выносливости и принимают 1,3...2,5. Коэффициент запаса прочности n иногда устанавливают на основе так называемого дифференциального метода, принимая его равным произведению составляющих коэффициентов n1n2n3, где коэффициент n1 = 1...1.5 учитывает достоверность определения расчетной нагрузки и напряжения; коэффициент n2 учитывает однородность механических свойств материалов, для стальных деталей из проката n2 — 1,2... 1,5; коэффициент n3 = 1 —1,5 учитывает специфические требования безопасности. Тогда общий коэффициент запаса прочности n — n1n2n3.
Расчеты на прочность в зависимости от условий и характера нагружения, геометрической формы изделия и возникающих в нем напряжений изучают в курсе «Сопротивление материалов» [57] или «Строительная механика приборов» и в полной мере используют в дисциплине «Элементы приборных устройств». Названные выше курсы не рассматривают вопросов поверхностной прочности, в силу чего на них следует остановиться несколько подробнее.