 |
Расчёт на прочность сварных швов
|
|
|
|
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:
è Неразъёмные, разборка которых возможна лишь при разрушении соединяющих или соединяемых деталей;
è Разъёмные, позволяющие разборку без разрушения.
è Выбор типа соединения определяет конструктор.
НЕРАЗЪЁМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
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.
 |
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:
è лобовые швы – перпендикулярные силам;
è фланговые швы – параллельны силам;
è косые швы – под углом к силам.
Эти виды швов в различных сочетаниях применяются в разных соединениях.
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: s раст = Q / S = Q / bd ≤ [ s раст ] шва.
Напряжения изгиба: s изг = Mизг / W = 6 Mизг / bd 2 ≤ [ s изг ] шва.
Допускаемые напряжения шва [ s раст ] шва и [ s изг ] шва принимаются в размере 90% от соответствующих допускаемых напряжений материала свариваемых деталей.
Соединения внахлёстку в ыполняются 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 τ = Q / ( 0,707 k l ) ≤ [ τ' ] шва.
Фланговые швы характерны неравномерным распределением напряжений, поэтому их рассчитывают по средним касательным напряжениям. При действии растягивающей силы касательные напряжения равны:
|
|
|
τ = Q / (2*0,707 d l ) ≤ [ τ' ] шва.
При действии момента: τ = M / (0,707 k d l ) ≤ [ τ' ] шва.
Если швы несимметричны, то нагрузка на фланговые швы распределяется по закону рычага Q1,2 = Q l1,2 / ( l1 + l2 ), где l1 и l2 – длины швов.
При этом швы рассчитывают по соответствующим нагрузкам, а длины швов назначают пропорционально этим нагрузкам. Касательные напряжения в швах τ1,2 = Q1,2 / (1,414 d l1,2) ≤ [τ']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.
Комбинированные лобовые и фланговые швы рассчитывают на основе принципа распределения нагрузки пропорционально несущей способности отдельных швов. При действии силы Q касательные напряжения равны:
τQ = Q / [ 0,707 k (2 lф+ lл )] ≤ [ τ' ] шва.
Если действует момент M, то
τM = M / [ 0,707 k lл ( lф+ lл /6 )] ≤ [ τ' ] шва.
При совместном действии силы и момента касательные напряжения складываются τ = τМ + τQ ≤ [ τ' ] 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
τ = 6M/ (1,414 l2k )+ Q / (1,414 l k ) ≤ [ τ' ] шва.
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.
Заклёпочные соединения
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.
è 
Сплошные с полукруглой головкой (а) ГОСТ 10299-80, 14797-85 для силовых и плотных швов;
è Сплошные с плоской головкой (б) ГОСТ 14801-85 для коррозионных сред;
è Сплошные с потайной головкой (в) ГОСТ 10300-80, 14798-85 для уменьшения аэро- и гидросопротивления (самолёты, катера);
è 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.
 |
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 s см = P/Sd ≤ [ s ] 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.
|
|
|
