Основы конструирования машин и механизмов

L_n = ( C / P ), [млн. оборотов],

где С - грузоподъёмность, Р - эквивалентная динамическая нагрузка, = 0,3 для шариков, = 0,33 для роликов.

Номинальную долговечность можно вычислить и в часах

L_h = (10⁶ / 60 n) L_n , [часов],

где n - частота вращения вала.

Эквивалентная динамическая нагрузка это такая постоянная нагрузка, при которой долговечность подшипника та же, что и при реальных условиях работы. Здесь для радиальных и радиально упорных подшипников подразумевается радиальная нагрузка, а для упорных и упорно-радиальных - центральная осевая нагрузка.

Эквивалентная динамическая нагрузка вычисляется по эмпирической формуле

P = ( V X F_r + Y F_a ) K_Б K_Т,

где F_r , F_a - радиальная и осевая реакции опор;

V - коэффициент вращения вектора нагрузки ( V = 1 если вращается внутреннее кольцо, V = 1,2 если вращается наружное кольцо)

X, Y - коэффициенты радиальной и осевой нагрузок, зависящие от типа подшипников, определяются по справочнику;

К_Б - коэффициент безопасности, учитывающий влияние динамических условий работы (К_Б = 1 для передач, К_Б = 1,8 для подвижного состава),

К_Т - коэффициент температурного режима (до 100^оС К_Т =1).

Грузоподъёмность это постоянная нагрузка, которую группа идентичных подшипников выдержит в течение одного миллиона оборотов. Здесь для радиальных и радиально упорных подшипников подразумевается радиальная нагрузка, а для упорных и упорно-радиальных - центральная осевая нагрузка. Если вал вращается медленнее одного оборота в минуту, то речь идёт о статической грузоподъёмности C₀, а если вращение быстрее одного оборота в минуту, то говорят о динамической грузоподъёмности C. Величина грузоподъёмности рассчитывается при проектировании подшипника, определяется на экспериментальной партии подшипников и заносится в каталог.

6.2.3 Методика выбора подшипников качения

Опытный проектировщик может назначать конкретный тип и размер подшипника, а затем делать проверочный расчёт. Однако здесь требуется большой конструкторский опыт, ибо в случае неудачного выбора может не выполниться условие прочности, тогда потребуется выбрать другой подшипник и повторить проверочный расчёт.

Во избежание многочисленных "проб и ошибок" можно предложить методику выбора подшипников, построенную по принципу проектировочного расчёта, когда известны нагрузки, задана требуемая долговечность, а в результате определяется конкретный типоразмер подшипника из каталога [31].

Методика выбора состоит из пяти этапов:

1. Вычисляется требуемая долговечность подшипника исходя из частоты вращения и заданного заказчиком срока службы машины.

2. По найденным ранее реакциям опор выбирается тип подшипника (радиальный, радиально-упорный, упорно-радиальный или упорный), из справочника находятся коэффициенты радиальной и осевой нагрузок Х, У.

3. Рассчитывается эквивалентная динамическая нагрузка.

4. Определяется требуемая грузоподъёмность C = P*L^(1/б).

5. По каталогу, исходя из требуемой грузоподъёмности, выбирается конкретный типоразмер ("номер") подшипника, причём должны выполняться два условия:

и грузоподъёмность по каталогу не менее требуемой;

и внутренний диаметр подшипника не менее диаметра вала.

6.2.4 Особенности проектирования подшипниковых узлов

Неточность монтажа, нагрев, деформации вала могут привести к заклиниванию вращающихся колёс, что, особенно в момент движения, чревато весьма неприятными последствиями. Предотвращение этого достигается различными мероприятиями [2, 14,24,25]:

Схемы установки подшипников

Применяют фиксированные и плавающие опоры. В фиксированных внутренние и наружные кольца неподвижны в осевом направлении. В плавающих внешнее кольцо может перемещаться в осевом направлении за счёт установки подшипника в специальном стакане с зазором. Плавающей обычно делают ту опору, где меньше радиальная нагрузка. При большом расстоянии между опорами (вал червяка) фиксированная опора для жёсткости имеет два подшипника. Для свободных температурных перемещений подходят радиальные роликоподшипники с цилиндрическими роликами и радиальные шарикоподшипники с незакреплёнными наружными кольцами.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Короткие валы при слабом нагреве можно устанавливать на подшипники враспор, когда один подшипник фиксирует осевое смещение вала в одну сторону, а другой - в другую. Схема с фиксацией подшипников враспор удобна в монтаже, но требует жёстких допусков на линейные размеры и опасна возможным защемлением тел качения при нагреве. При установке враспор для радиальных подшипников оставляют осевой зазор, а для радиально-упорных предусматривают осевую регулировку.

Крепление подшипников на валу и в корпусе

Для восприятия осевых нагрузок кольца подшипника закрепляют на валу и в корпусе.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для закрепления внутренних колец на валу применяются различные средства:

и уступы вала (а);

и пружинные стопорные кольца (б,е);

и торцовые шайбы (в);

и упорные гайки (г,ж);

и конические разрезные втулки (д,з).

Для фиксации наружных колец применяют:

Размещено на http://www.allbest.ru/

и крышки (б);

и крышки и уступы (в,г);

и упорные борта (д);

и врезные крышки при разъёмных корпусах (е);

и пружинные кольца (ж,з).

Радиально-упорные подшипники требуют осевого регулирования, которое делается смещением наружного кольца:

Размещено на http://www.allbest.ru/

и крепёжным винтом (б,г) при малых осевых силах;

и резьбовой крышкой или кольцом (в).

Жёсткость подшипников и их предварительный натяг

Размещено на http://www.allbest.ru/

Деформации подшипников качения примерно равны деформациям валов. Поддержание высокой жёсткости подшипниковых узлов обеспечивает точность вращения системы. Максимальную жёсткость имеют точные роликоподшипники.

Жёсткость увеличивается предварительным натягом, суть которого в выборке зазоров и начальном сжатии тел качения. Это достигается взаимным осевым смещением колец посредством:

и затяжки резьбы (а);

и пружинами (б);

и установкой втулок (в);

и шлифовкой торцов колец (г).

Излишний преднатяг приводит к усилению износа сепаратора из-за набегания на него части тел качения и отставания другой части в связи с разными их диаметрами.

Уплотняющие устройства

Это специальные детали, выполненные из мягких упругих материалов (мягкие металлы, резина, пластмасса, войлок и т.п.), которые предотвращают вытекание смазки из подшипниковых узлов и попадание в них загрязнения.

По принципу действия уплотнения разделяются на:

Размещено на http://www.allbest.ru/

контактные манжетные, войлочные, с металлическими кольцами (а,б), применяются на низких и средних скоростях, дают плотный контакт подвижных и неподвижных деталей;

и щелевые и лабиринтные, препятствуют протеканию жидкостей и даже газа через каскад щелей и камер (в,г,д,е), так, типовая букса грузового вагона имеет четырёхкамерное лабиринтное уплотнение с зазором 0,8 мм;

и центробежные (ж,з);

и комбинированные.

Известны конструкции подшипников со встроенными уплотнениями.

Посадки подшипников на вал и в корпус

При проектировании подшипниковых узлов принципиальное значение имеет сопряжение (посадка) внутренних колец с валом и наружных с корпусом [14]. Поскольку подшипники являются стандартными узлами, то валы и корпуса должны приспосабливаться к ним. Внутренние кольца сажают на вал по системе отверстия, а наружные в корпус по системе вала. При том, что поле допусков внутреннего кольца направлено не в тело, а к центру, посадки на вал получаются более плотными, чем обычно в системе отверстия.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В зависимости от режима работы машины, чем больше нагрузка и сильнее толчки, тем более плотными должны быть посадки. Чем быстроходнее машина (меньше нагрузки, выше температуры), тем посадки должны быть свободнее.

Посадки роликоподшипников должны быть более плотными в связи с большими нагрузками. Посадки радиально-упорных подшипников плотнее, чем у радиальных, у которых посадочные натяги искажают зазоры. Посадки крупных подшипников из-за больших сил назначают плотнее, чем у средних и мелких. Рекомендации по выбору посадок по мере роста нагрузок в опорах можно сформулировать следующим образом:

Допуски валов при вращающемся вале - j_s6; k6; m6; n6.

Допуски валов при вращающемся корпусе - g6; h6.

Допуски корпуса при вращающемся вале - H7; H6; J_s7; J_s6; K7.

Допуски корпуса при вращающемся корпусе - K7; M7; N7; P7.

Монтаж и демонтаж подшипников

Нередко наблюдаются случаи, когда повреждения подшипников вызваны небрежным, безграмотным монтажём и демонтажём.

Подшипники со значительным натягом на валу следует монтировать нагретыми в масле или охлаждать вал сухим льдом. В остальных случаях подшипники можно напрессовывать на вал с помощью пресса.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Посадка подшипника ударами молотка через оправку из мягкого металла допустима только при малых натягах для мелких и средних подшипников. Демонтаж допускается только с помощью специальных съёмников.

Общий принцип: усилие прикладывается только к тому кольцу, которое установлено с натягом и не должно передаваться на тела качения.

Смазка подшипников качения

Применяется как для снижения трения, так и для повышения теплоотвода.

Пластичные (густые) смазки более легки в обслуживании, меньше расходуются, удобны в применении в труднодоступных местах, куда закладываются при сборке, заполняют и герметизируют зазоры [20]. Их недостаток в том, что в конструкции требуется предусматривать специальные полости. Эту полость первоначально заполняют на 2/3 объёма при n ? 1500 об/мин или на 1/2 объёма при n > 1500 об/мин. В дальнейшем обычно через каждые три месяца через специальные устройства (пресс-маслёнки) добавляют свежую смазку, а через год её меняют с предварительной разборкой и промывкой узла. При консистентной смазке необходимо применение щелевых, лабиринтных и центробежных уплотнений.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Жидкие смазки [14, 24, 25, 29, 38] применяются при более высоких температурах, когда густые плавятся и вытекают. Обеспечивают минимальные потери на трение. Обычный способ в случае нижнего расположения червяка - организация масляных ванн (например, картер двигателя и т.п.), в которых масло налито до уровня нижнего тела качения. В зубчатых передачах колёса погружают не более чем на высоту зуба, во избежание больших потерь на перемешивание масла. Уровень масла контролируется щупом-маслоуказателем, как, например, в двигателях легковых автомобилей.

Разбрызгивание масла внутри корпуса механизмов происходит с помощью специальных лопастей-крыльчаток либо зубчатых колёс и применяется для создания масляного тумана, который способствует выравниванию температуры и теплоотводу от механизма. Однако проектировщику не следует надеяться на то, что разбрызгиванием будут достаточно смазаны подшипники, находящиеся выше уровня масляной ванны.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Что является обязательным элементом в конструкции подшипников скольжения ?

Какие поломки наблюдаются у подшипников скольжения ?

Для чего в подшипниках качения применяется смазка ?

Какие режимы трения возможны в подшипниках скольжения со смазкой ?

Что считается критерием работоспособности подшипников качения ?

В чём заключается принцип конструкции подшипников качения?

Какие тела качения применяются в подшипниках ?

Для чего в подшипниках качения устанавливают сепаратор ?

Каковы достоинства и недостатки подшипников качения ?

По каким признакам классифицируются подшипники качения ?

Какие типы подшипников назначаются в зависимости от действующих в опорах нагрузок ?

Каковы причины поломок и критерии расчёта подшипников качения ?

Что такое долговечность подшипника ?

Что такое грузоподъёмность подшипника ?

Что такое эквивалентная динамическая нагрузка на подшипник и как она определяется ?

Как фиксируются внутреннее и наружное кольца подшипника качения ?

Как и зачем регулируется жёсткость подшипника качения ?

С какой целью применяются уплотнения в подшипниковых узлах?

Какие типы уплотнений применяют для подшипниковых узлов ?

Какие посадки на вал и в корпус назначаются для подшипников качения ?

Как выполняется монтаж и демонтаж подшипников качения ?

Какие виды смазок применяются для подшипников качения ?

7. МУФТЫ

машина подшипник муфта передача

Это устройства для соединения валов и передачи между ними вращающего момента [34].

Муфты могут передавать вращающий момент и валам, и другим деталям (колёсам, шкивам и т.д.). Соединяют соосные и несоосные валы. Муфты существуют потому, что всегда есть некоторая несоосность, перекосы, взаимная подвижность валов. Конструкции муфт весьма разнообразны. Простейшая муфта сделана из куска ниппельной трубочки и соединяет вал электромоторчика с крыльчаткой автомобильного омывателя стекла. Муфты турбокомпрессоров реактивных двигателей состоят из сотен деталей и являются сложнейшими саморегулирующимися системами.

Группы муфт различают по их физической природе.

и Муфты механического действия.

и Муфты электрического (электромагнитного) действия.

и Муфты гидравлического или пневматического действия.

Классы муфт различают по режиму соединения валов.

и Нерасцепляемые (постоянные, соединительные) - соединяют валы постоянно, образуют длинные валы.

и Управляемые - соединяют и разъединяют валы в процессе работы, например, широко известная автомобильная муфта сцепления.

и Самодействующие - срабатывают автоматически при заданном режиме работы.

и Прочие.

Основная характеристика муфты - передаваемый вращающий момент.

Существенные показатели - габариты, масса, момент инерции.

Муфта, рассчитанная на передачу определённого вращающего момента, выполняется в нескольких модификациях для разных диаметров валов. Муфты - автономные узлы, поэтому они легко стандартизируются.

Муфты рассчитывают по их критериям работоспособности:

и прочности при циклических и ударных нагрузках,

и износостойкости,

и жёсткости.

На практике муфты подбираются из каталога по величине передаваемого момента M = M_ВалаK, где М_Вала - номинальный момент, определённый расчётом динамики механизма, К - коэффициент режима работы: К = 1 ? 1,5 спокойная работа, лёгкие машины; К = 1,5 ? 2 переменные нагрузки, машины среднего веса (поршневые компрессоры); К = 2 ? 6 ударные нагрузки, большие массы (прессы, молоты). Для двигателей транспортных машин К завышают на 20 ? 40 % в зависимости от числа цилиндров.

7.1 ЖЁСТКИЕ МУФТЫ

Могут быть втулочными или фланцевыми.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Втулочные иногда называются глухими. Это самые простые конструкции и обычно применяются в лёгких машинах на валах диаметром до 70 мм. Требуют точной соосности, затрудняют сборку-разборку, имеют малую жёсткость на изгиб. Их работоспособность определяется прочностью в местах крепления к валам.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Чаще применяются фланцевые жёсткие муфты, т.к. они допускают лёгкую сборку-разборку. Такие конструкции имеют две полумуфты в виде фланцев, устанавливаемых на концах валов с натягом и стянутых болтами. Вращающий момент передаётся за счёт сил трения между фланцами, а когда болты вставлены без зазора, то также и болтами. Фланцевые муфты стандартизованы в диапазоне диаметров 12 ? 250 мм и передают моменты 0,8 ? 4500 кГм. В тяжёлых машинах фланцы приваривают к валам.

7.2 КОМПЕНСИРУЮЩИЕ МУФТЫ

Иногда называют самоустанавливающимися. Они соединяют валы с небольшими смещениями осей.

Наиболее популярна конструкция зубчатой муфты. Она компенсирует осевые, радиальные и угловые смещения валов. Состоит из двух втулок (полумуфт с зубьями) и надетой на них обоймы с внутренними зубьями. Зубчатые зацепления выполняют с боковым зазором; зубьям придают бочкообразную форму; венцы полумуфт располагают на некотором расстоянии друг от друга. Зубчатые муфты малы и легки, весьма грузоподъёмны (до 100000 кГм), высокооборотны.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Однако эти муфты чувствительны к перекосам. Кроме того, при перекосах валов вследствие трения в зубьях муфта нагружает валы изгибающим моментом примерно 10% от вращающего.

Несущая способность муфт резко падает с ростом перекоса валов.

Размеры муфт подбирают по таблицам в зависимости от вращающего момента, который находят по наибольшему длительно действующему моменту на ведущем валу.

7.3 ПОДВИЖНЫЕ МУФТЫ

Допускают соединение валов с повышенным взаимным смещением осей как вызванными неточностями, так и специально заданными конструктором.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ярким представителем этого семейства являются шарнирные муфты. Идея муфты впервые предложена Джероламо Кардано в 1570 г. и доведена до инженерного решения Робертом Гуком в 1770 г. Поэтому иногда в литературе они называются карданными муфтами, а иногда - шарнирами Гука.

Шарнирные муфты соединяют валы под углом до 45^о, позволяют создавать цепные валы с передачей вращения в самые недоступные места. Всё это возможно потому, что крестовина является не одним шарниром, а сразу двумя с перпендикулярными осями.

Прочность карданной муфты ограничена прочностью крестовины, в особенности мест крепления пальцев крестовины в отверстиях вилок. Поломка крестовины - весьма частый дефект, известный, практически, каждому автовладельцу.

Муфты выбираются по каталогу. Проверочный расчёт ведётся для рабочих поверхностей шарниров на смятие, проверяется прочность вилок и крестовины.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Малогабаритные шарнирные муфты стандартизованы в диапазоне диаметров 8 ? 40 мм и моментов 1,25 ? 128 кГм. Крестовина выполнена в виде параллелепипеда. Шарнир образуется с помощью вставных осей, одна из которых длинная, а другая состоит их двух коротких втулок, стянутых заклёпкой. Конструкция весьма технологична.

Карданные передачи с шарнирной муфтой применяются на российских железных дорогах в рамном подвешивании редуктора электропоездов и электровозов серий ВЛ, ЧС, ЭР. Передача вращающего момента от двигателя к колёсной паре карданной муфтой компенсирует несоосность валов якоря и зубчатого колеса при смещениях рамы тележки относительно колёсных пар.

7.4 УПРУГИЕ МУФТЫ

Предназначены главным образом для смягчения (амортизации) ударов, толчков и вибрации. Кроме того, допускают некоторую компенсацию смещений валов.

Главная особенность таких муфт - наличие металлического или неметаллического упругого элемента. Способность упругих муфт противостоять ударам и вибрации значительно повышает долговечность машин.

Муфты с таким упругим элементом применяются с 1972 г. для соединения мотора и редуктора моторного вагона электропоезда ЭР2Р.

Муфта с упругой торообразной оболочкой может, фактически, рассматриваться, как упругий шарнир Гука. Она способна компенсировать значительные неточности монтажа валов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лёгок монтаж, демонтаж и замена упругого элемента. Допускаются радиальные смещения 1 ? 5 мм, осевые 2 ? 6 мм, угловые 1,5 ? 2^о, угол закручивания 5 ? 30^о.

Несущая способность (и прочность) муфт зависит от крепления оболочки к фланцам. Стандартизованы муфты с неразрезной упругой оболочкой в диапазоне моментов 2 ? 2500 кГм.

Широкое применение находит упругая втулочно-пальцевая муфта ("МУВП").

Размещено на http://www.allbest.ru/

Здесь нет необходимости крепить резину к металлу, легко заменять упругие элементы при износе.

В этих муфтах момент передаётся через пальцы и насаженные на них упругие элементы в форме колец или гофрированных втулок. Такие муфты легки в изготовлении, просты в конструкции, удобны в эксплуатации и поэтому получили широкое применение, особенно для передачи вращения от электродвигателя.

Муфты нормализованы в размерах 16 ? 150 мм и моментов 3,2 ? 1500 кГм.

К сожалению, радиальные и угловые смещения существенно снижают срок службы упругих элементов и повышают нагрузки на валы и опоры.

Муфты рассчитывают по допускаемым давлениям между пальцами и упругими втулками

P = 2 M_вр / (zDdl) [p],

где z - число пальцев, d - диаметр пальца, l - длина упругого элемента, D - диаметр расположения осей пальцев. Допускаемое давление обычно 30 кГ/см².

Пальцы муфты рассчитывают на изгиб.

7.5 ФРИКЦИОННЫЕ МУФТЫ

Передают вращающий момент благодаря силам трения, возникающим в контакте между элементами муфты (лат. frictio - трение). Силы трения легко регулируются изменением силы сжатия трущихся поверхностей. Поэтому фрикционные муфты допускают плавное сцепление при любой скорости, что успешно используется, например, в конструкции автомобильного сцепления.

Кроме того, фрикционная муфта не может передать через себя момент больший, чем момент сил трения, поскольку начинается проскальзывание контактирующих фрикционных элементов, поэтому фрикционные муфты являются эффективными неразрушающимися предохранителями для защиты машины от динамических перегрузок.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Встречаются различные формы рабочих поверхностей фрикционных элементов:

и дисковые, в которых трение происходит по торцевым поверхностям дисков (одно- и многодисковые);

и конусные, в которых рабочие поверхности имеют коническую форму;

и цилиндрические, имеющие цилиндрическую поверхность контакта (колодочные, ленточные и т.д.).

Главной особенностью работы фрикционных муфт является сжатие поверхностей трения. Отсюда ясно, что такие муфты рассчитываются на прочность по контактному давлению (аналогично напряжениям смятия). Для каждой конструкции необходимо вычислить сжимающую силу и разделить её на площадь контакта. Расчётное контактное давление не должно быть больше допускаемого для данного материала.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Для чего существуют муфты ?

Каковы главные признаки классификации муфт ?

Какая характеристика муфты считается главной ?

Каковы принципы конструкции и работы жёстких муфт ?

Каковы принципы конструкции и работы шарнирных муфт ?

Каковы принципы конструкции и работы упругих муфт ?

Как устроена и как работает упруго втулочно-пальцевая муфта (МУВП) ?

За счёт каких сил работают фрикционные муфты ?

Какие критерии прочности применяют для фрикционных муфт ?

8. СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Детали объединяются в машину посредством соединений.

Соединения состоят из соединительных деталей и прилегающих частей соединяемых деталей, форма которых подчинена задаче соединения. В отдельных конструкциях специальные соединительные детали могут отсутствовать. Все соединения делятся на:

Неразъёмные, разборка которых возможна лишь при разрушении соединяющих или соединяемых деталей;

Разъёмные, позволяющие разборку без разрушения.

Выбор типа соединения определяет конструктор.

8.1 НЕРАЗЪЁМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

8.1.1 Сварные соединения

Не имеют соединяющих деталей. Выполняются за счёт местного нагрева и диффузии (перемешивания частиц) соединяемых деталей. Создают, практически, одну целую, монолитную деталь. Весьма прочны, т.к. используют одну из самых могучих сил природы - силы межмолекулярного сцепления.

Сварку (дуговую электросварку) изобрел в 1882 году российский инженер Н.И. Бенардос. С тех пор технология процесса значительно усовершенствована. Прочность сварного шва теперь практически не отличается от монолита, освоена сварка всех конструкционных материалов, включая алюминий и неметаллы.

Дуговая и контактная электросварка является основным и наиболее совершенным способом соединения деталей несущих конструкций корпусов локомотивов и вагонов. Сварка применяется и для высоконагруженных силовых установок локомотивов, например, в сварном стальном V-образном блоке цилиндров тепловозного дизеля Д40 и т.п.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сварные соединения (швы) по взаимному расположению соединяемых элементов делятся на следующие группы:

Для сварки характерна высокая экономичность: малая трудоёмкость; сравнительная дешевизна оборудования; возможность автоматизации; отсутствие больших сил, как, например, в кузнечно-прессовом производстве; отсутствие больших объёмов нагретого металла, как, например, в литейном производстве. Однако говорить обо всех этих достоинствах имеет смысл только при хорошо налаженном и организованном технологическом процессе сварки.

Недостатки сварки состоят в том, что при низком качестве шва возникают температурные повреждения материала, кроме того, из-за неравномерности нагрева возникает коробление деталей. Это устраняется либо привлечением квалифицированного (высокооплачиваемого) сварщика, либо применением автоматической сварки, а также специальными приспособлениями, в которых деталь фиксируется до полного остывания.

Общее условие проектирования сварных соединений - обеспечение равнопрочности шва и свариваемых деталей [27].

Расчёт на прочность сварных швов

По ориентации относительно приложенных сил различают:

лобовые швы - перпендикулярные силам;

фланговые швы - параллельны силам;

косые швы - под углом к силам.

Эти виды швов в различных сочетаниях применяются в разных соединениях.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Соединения встык обычно выполняются лобовыми швами. При качественной сварке соединения разрушаются не по шву, а в зоне температурного влияния. Поэтому рассчитываются на прочность по сечению соединяемых деталей без учёта утолщения швов. Наиболее частые случаи - работа на растяжение и на изгиб.

Напряжения растяжения: ?_раст = Q / S = Q / b? ? [?^раст]_шва.

Напряжения изгиба: ?_изг = M_изг / W = 6 M_изг / b? ² ? [?^изг]_шва.

Допускаемые напряжения шва [? ^раст]_шва и [? ^изг]_шва принимаются в размере 90% от соответствующих допускаемых напряжений материала свариваемых деталей.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Соединения внахлёстку выполняются лобовыми, фланговыми и косыми швами.

Лобовые швы в инженерной практике рассчитывают только по касательным напряжениям. За расчётное сечение принимают биссектрису m-m, где обычно наблюдается разрушение. Расчёт только по касательным напряжениям не зависит от угла приложения нагрузки.

При этом ф = Q / (0,707 k l) ? [ф']_шва.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Фланговые швы характерны неравномерным распределением напряжений, поэтому их рассчитывают по средним касательным напряжениям. При действии растягивающей силы касательные напряжения равны:

ф = Q / (2*0,707 ? l) ? [ф']_шва.

При действии момента: ф = M / (0,707 k ? l) ? [ф']_шва.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Если швы несимметричны, то нагрузка на фланговые швы распределяется по закону рычага Q_1,2 = Q l_1,2 / ( l₁ + l₂), где l₁ и l₂ - длины швов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При этом швы рассчитывают по соответствующим нагрузкам, а длины швов назначают пропорционально этим нагрузкам. Касательные напряжения в швах ф_1,2 = Q_1,2 / (1,414 ? l_1,2 ) ? [ф']_шва.

Косые швы рассчитываются аналогичным образом. Нагрузка Q раскладывается на проекции в продольном и нормальном направлениях к шву, а далее выполняются расчёты лобового и флангового швов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Комбинированные лобовые и фланговые швы рассчитывают на основе принципа распределения нагрузки пропорционально несущей способности отдельных швов. При действии силы Q касательные напряжения равны:

ф_Q = Q / [0,707 k ( 2l_ф+ l_л )] ? [ф']_шва.

Если действует момент M, то

ф_M = M / [0,707 k l_л ( l_ф+ l_л /6)] ? [ф']_шва.

При совместном действии силы и момента касательные напряжения складываются ф = ф_М + ф_Q ? [ф']_шва.

Тавровые и угловые швы соединяют элементы в перпендикулярных плоскостях. Выполняются либо стыковым швом с разделкой кромок (а), либо угловым без разделки кромок (б). При нагружении изгибающим моментом и силой прочность соединения оценивают:

для стыкового шва (а) по нормальным напряжениям

s = 6M/ (bd²) + Q / (ld ) ? [s^раст]_шва,

для углового шва (б) по касательным напряжениям

ф = 6M/(1,414 l²k)+ Q / (1,414 l k ) ? [ф']_шва.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В любом случае для расчёта самых сложных сварных швов сначала необходимо привести силу и момент к шву и распределить их пропорционально несущей способности (длине) всех простых участков. Таким образом, любой сложный шов сводится к сумме простейших расчётных схем.

8.1.2 Заклёпочные соединения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Образуются с помощью специальных деталей - заклёпок [1, 10, 38]. Заклёпка имеет грибообразную форму и выпускается с одной головкой (закладной) вставляется в совместно просверленные детали, а затем хвостовик ударами молотка или пресса расклёпывается, образуя вторую головку (замыкающую). При этом детали сильно сжимаются, образуя прочное, неподвижное неразъёмное соединение.

Достоинства заклёпочного соединения:

+ соединяют не свариваемые детали (Al);

+ не дают температурных деформаций;

+ детали при разборке не разрушаются.

Недостатки заклёпочного соединения:

` детали ослаблены отверстиями;

` высокий шум и ударные нагрузки при изготовлении;

` повышенный расход материала.

Заклёпки изготавливают из сравнительно мягких материалов: Ст2, Ст3, Ст10, Ст15, латунь, медь, алюминий.

Заклёпки стандартизованы и выпускаются в разных модификациях.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сплошные с полукруглой головкой (а) ГОСТ 10299-80, 14797-85 для силовых и плотных швов;

Сплошные с плоской головкой (б) ГОСТ 14801-85 для коррозионных сред;

Сплошные с потайной головкой (в) ГОСТ 10300-80, 14798-85 для уменьшения аэро- и гидросопротивления (самолёты, катера);

Полупустотелые (г,д,е) ГОСТ 12641-80, 12643-80 и пустотелые (ж,з,и) ГОСТ 12638-80, 12640-80 для соединения тонких листов и неметаллических деталей без больших нагрузок.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Заклёпки испытывают сдвиг (срез) и смятие боковых поверхностей. По этим двум критериям рассчитывается диаметр назначаемой заклёпки. При этом расчёт на срез - проектировочный, а расчёт на смятие - проверочный.

Здесь и далее имеем в виду силу, приходящуюся на одну заклёпку.

При одной плоскости среза диаметр заклёпки: При двух плоскостях среза (накладки с двух сторон):

Напряжения смятия на боковых поверхностях заклёпки ?_см = P/Sd ? [?]_см,

где S - толщина наименьшей из соединяемых деталей. При проектировании заклёпочных швов как, например, в цистернах, необходимо следить, чтобы равнодействующая нагрузок приходилась на центр тяжести шва.

Следует симметрично располагать плоскости среза относительно линии действия сил, чтобы избежать отрыва головок.

Кроме того, необходимо проверять прочность деталей в сечении, ослабленном отверстиями.

8.2 РАЗЪЁМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

8.2.1 Резьбовые соединения

Являются наиболее совершенным, а потому массовым видом разъёмных соединений. Применяются в огромном количестве во всех машинах, механизмах, агрегатах и узлах [4,10].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные детали соединения имеют наружную либо внутреннюю винтовую нарезку (резьбу) и снабжены огранёнными поверхностями для захвата гаечным ключом.

Болт - длинный цилиндр с головкой и наружной резьбой. Проходит сквозь соединяемые детали и затягивается гайкой (а) - деталью с резьбовым отверстием. Винт - внешне не отличается от болта, но завинчивается в резьбу одной из соединяемых деталей (б). Шпилька - винт без головки с резьбой на обоих концах (в).

Резьбовые соединения различают по назначению на:

и резьбы крепёжные для фиксации деталей (основная - метрическая с треугольным профилем, трубная - треугольная со скруглёнными вершинами и впадинами, круглая, резьба винтов для дерева) должны обладать самоторможением для надёжной фиксации;

Размещено на http://www.allbest.ru/

Конструкции винтов и гаек весьма многообразны.

Для малонагруженных и декоративных конструкций применяются винты и болты с коническими и сферическими головками (как у заклёпок), снабжёнными линейными или крестообразными углублениями для затяжки отвёрткой. Для соединения деревянных и пластмассовых деталей применяют шурупы и саморезы - винты со специальным заострённым хвостовиком.

Болты и гайки стандартизованы. В их обозначении указан наружный диаметр резьбы.

Резьбовые соединения имеют ряд существенных достоинств:

+ высокая надёжность;

+ удобство сборки-разборки;

+ простота конструкции;

+ дешевизна (вследствие стандартизации);

+ технологичность;

+ возможность регулировки силы сжатия.

Недостатки резьбовых соединений:

` концентрация напряжений во впадинах резьбы;

` низкая вибрационная стойкость (самоотвинчивание при вибрации).

Это серьёзные недостатки, однако, их можно свести к минимуму и, практически, полностью исключить. Это делается посредством правильного проектировочного расчёта и специальных мер стопорения, называемых на техническом языке "контровка". Известны следующие виды стопорения.

1. Стопорение дополнительным трением, за счёт создания дополнительных сил трения, сохраняющихся при снятии с винта внешней нагрузки.

Контргайка воспринимает основную осевую нагрузку, а сила трения и затяжки в резьбе основной гайки ослабляется. Необходима взаимная затяжка гаек.

Самоконтрящиеся гайки с радиальным натягом резьбы после нарезания резьбы и пластического обжатия специальной шейки гайки на эллипс.

Иногда самоконтрящиеся гайки выполняются с несколькими радиальными прорезями.

Гайки с полиамидными кольцами без резьбы, которая нарезается винтом при завинчивании, обеспечивают большие силы трения. Применяют полиамидную пробку в винте.

Контргайка цангового типа (слева) при навинчивании обжимается на конической поверхности.

Контргайка арочного типа (справа) при навинчивании разгибается и расклинивает резьбу.



Пружинные шайбы обеспечивают трение в резьбе. Повышают сцепление врезанием своих острых срезов. Изготавливаются для правой и левой резьбы. Создают некоторое смещение нагрузки.

У пружинных шайб с несколькими отогнутыми усиками сила упругости направлена строго по оси болта.

Стопорение пружинными шайбами ненадёжно.

При спокойных нагрузках резьбы стопорят специальными винтами через медную или свинцовую прокладку или деформированием гайки с прорезями, перпендикулярными оси.

2. Стопорение специальными запирающими элементами, полностью исключающими самопроизвольный проворот гайки.



Шплинты ГОСТ 397-79 сгибают из проволоки полукруглого сечения плоскими сторонами внутрь. Выпадению шплинта препятствуют его петля и разогнутые концы.

Шайбы с лапками ГОСТ 11872-80 стопорят гайки со шлицами при регулировке подшипников качения на валу. Внутренний носик отгибается в канавку винта, а наружные лапки - в шлицы гайки.

У шайб с лапками ГОСТ 3693/95-52 одна отгибается по грани гайки, а другая по грани детали. Стопорение такими шайбами, как и шплинтами, весьма надёжно и широко распространено.

В групповых соединениях головки болтов обвязывают проволокой через отверстия с натяжением проволоки в сторону затяжки резьбы.

3. И, наконец, стопорение может выполняться также пластическим деформированием или приваркой после затяжки.

Винты и гайки обычно выполняются из Ст3, Ст4, Ст5, Ст35, Ст45. Наиболее напряжённые соединения из Ст40, 40ХН. Декоративные винты и гайки выполняются из цветных металлов и пластмасс.

Выбор материалов, как и всех параметров резьбовых соединений, определяется расчётом на прочность.

Расчёт на прочность резьбовых соединений

Осевая нагрузка винта передаётся через резьбу гайке и уравновешивается реакцией её опоры. Каждый из Z витков резьбы нагружается силами F₁, F₂, … F_Z.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В общем случае нагрузки на витках не одинаковы. Задача о распределении нагрузки по виткам статически неопределима и была решена русским учёным Н.Е. Жуковским в 1902 г. на основе системы уравнений для стандартной шестигранной гайки. График показывает значительную перегрузку нижних витков и бессмысленность увеличения длины гайки, т.к. последние витки практически не нагружены. Такое распределение нагрузки позже было подтверждено экспериментально. При расчётах неравномерность рагрузки учитывают эмпирическим (опытным) коэффициентом K_m, который равен 0,87 для треугольной, 0,5 - для прямоугольной и 0,65 для трапецеидальной резьбы.

Основные виды разрушений у крепёжных резьб - срез витков, у ходовых - износ витков. Следовательно, основной критерий работоспособности

для расчёта крепёжных резьб - прочность по касательным напряжениям среза, а для ходовых резьб - износостойкость по напряжениям смятия.

Условие прочности на срез:

F / (рd₁HKK_m) ? [ф] для винта; ф = F / (рdHKK_m) ? [ф] для гайки,

где H -высота гайки или глубина завинчивания винта в деталь, K=ab/p или K=ce/p - коэффициент полноты резьбы, K_m - коэффициент неравномерности нагрузки по виткам.

Условие износостойкости на смятие:

s_см = F / (рd₂HZ) ? [s]_см,

где Z - число рабочих витков.

Равнопрочность резьбы и стержня винта является важнейшим условием назначения высоты стандартных гаек. Так, приняв в качестве предельных напряжений пределы текучести материала и учитывая, что ф_Т ? 0,6?_Т условие равнопрочности резьбы на срез и стержня винта на растяжение предстанет в виде: ф = F/(рd₁HKK_m)= = 0,6у_Т = 0,6 F /[(р/4) d₁²]. При K = 0,87 и K_m = 0,6 получаем H ? 0,8d₁, а учитывая, что d₁ = d окончательно принимаем высоту нормальной стандартной крепёжной гайки H ? 0,8d.

Кроме нормальной стандартом предусмотрены высокие H ? 1,2d и низкие H ? 0,5d гайки. По тем же соображениям устанавливают глубину завинчивания винтов и шпилек в детали: в стальные H₁ = d, в хрупкие - чугунные и силуминовые H =1,5d. Стандартные высоты гаек (кроме низких) и глубины завинчивания избавляют нас от расчёта на прочность резьбы стандартных крепёжных деталей.

В расчётах невозможно игнорировать податливость болта и соединяемых деталей. В простейшем случае при болтах постоянного сечения и однородных деталях

л_б = l_б / (Е_б А_б); л_д = д_д / (Е_д А_д),

где л_б, л_д- податливости болта и деталей, равные их деформации при единичной нагрузке (податливость обратна жёсткости); Е_б, Е_д, А_б, А_д - модули упругости и площади сечения болта и деталей; д_д - суммарная толщина деталей д_д ? l_б.

В сложном случае податливость системы определяют как сумму податливостей отдельных участков болта и отдельных деталей. Под площадями сечения A понимают площади тех частей, которые подвержены деформации от затяжки болта. Здесь полагают, что деформации от гайки и головки болта располагаются вглубь деталей по конусам с углом б = 30^о. Приравнивая объём этих конусов к объёму цилиндра, находят его диаметр

D₁ = D +(д₁+ д₂) / 4; A_д = р (D₁²- d_отв²) / 4.

Внешняя нагрузка F деформирует не только болт, но и прокладки, шайбы, тарельчатые пружины и т.п. (1,2). Поэтому при расчёте суммарной нагрузки болта F_У вводят понятие коэффициента внешней нагрузки ч, равного приращению нагрузки болта в долях от внешней нагрузки. Тогда
F_У = F_зат + чF. При этом упругие прокладки 1 и 2 нельзя рассматривать как детали 3, 4 и 5, деформация которых уменьшается. В таких случаях все детали соединения разделяют на две системы:

...