Расчеты на прочность сварных соединений

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: σ_раст = Q/S = Q/b∙δ ≤ [σ_раст].

Напряжения изгиба: σ_изг = M_изг /W = 6∙M_изг /b∙δ²≤ [σ_изг].

Допускаемые напряжения шва [σ _раст] и [σ _изг]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∙δ _l) ≤ [τ']_шва.

При действии момента:

τ = M /(0,707∙k∙δ_l∙ l) ≤ [τ']_шва.

Если, швы несимметричны, то нагрузка на фланговые швы распределяется

по закону рычага: Q_1,2 = Q∙ l _1,2 /(l ₁ + l ₂), где l ₁ и l ₂– длины швов.

При этом, швы рассчитывают по соответствующим нагрузкам, а длины швов назначают пропорционально этим нагрузкам. Касательные напряжения в швах

τ_1,2=Q_1,2 /(1,414∙ δ∙ l _1,2) ≤ [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:

τ_Q = Q / [0,707 ∙k∙ (2l_ф+ l_л)] ≤ [τ']_шва.

Если действует момент M, то

τ_M = M / [0,707∙k ∙l_л∙(l_ф+ l_л/6)] ≤ [τ']_шва.

При совместном действии силы и момента касательные напряжения складываются

τ = τ_М + τ_Q ≤ [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

σ = 6M/(b∙δ²)+ Q/(l∙ δ) ≤ [σ_раст],

для углового шва (б) по касательным напряжениям

τ = 6M/(1,414∙ l ² ∙k)+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.

 

Заклепочные соединения

Заклепочное соединение - неразъемное. В большинстве случаев его применяют для соединения листов и фасонных прокатных профилей. Образуются с помощью специальных деталей – заклёпок. Заклёпка имеет грибообразную форму и выпускается с одной головкой (закладной - 4) вставляется в совместно просверленные детали, а затем хвостовик ударами молотка или пресса, при помощи обжимки -1, расклёпывается, образуя вторую головку (замыкающую - 3).Со стороны закладной головки устанавливается поддержка -5. При машинной клепке дополнительно применяют прижим - 2.

При этом детали сильно сжимаются, образуя прочное, неподвижное неразъёмное соединение. Стальные заклепки малого диаметра (до 10мм) и заклепки из цветных материалов ставят без нагрева- холодная клепка. Стальные заклепки диаметром больше 10мм перед установкой нагревают – горячая клепка.

Заклёпки стандартизованы и выпускаются в разных модификациях:

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

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

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

г), д), е) Полупустотелые ГОСТ 12641-80, ГОСТ 12643-80 для соединения тонких листов и неметаллических деталей без больших нагрузок;

ж), з), и) Пустотелые ГОСТ 12638-80, ГОСТ 12640-80 для аналогичного применения.

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. Материал заклепок должен обладать пластичностью и не принимать закалки. Высокая пластичность материала облегчает клепку и способствует равномерному распределению нагрузки по заклепкам. Необходимо стремиться к тому, чтобы температурные коэффициенты линейного расширения скрепляемых деталей и заклепок были близки по значению, иначе могут возникнуть температурные напряжения.

Следует избегать применения в соединении материалов. которые образуют гальванические пары. Поэтому для соединения деталей из алюминия применяют заклепки из алюминия, а для соединения медных – из меди.

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.

В зависимости от способа скрепления листов определяем необходимый диаметр заклепки по следующим формулам:

Затем проверяем заклепки на смятие.

Напряжения смятия на боковых поверхностях заклёпки:

σ_см = P/S∙d ≤ [σ]_см,

где S – толщина наименьшей из соединяемых деталей.

Кроме того, необходимо проверять прочность деталей на растяжение в сечении, ослабленном отверстиями: σ = P₁/S∙(t - d) ≤ [σ],

где P₁- сила растяжения, действующая на фронте одного шага – t.

Допускаемые напряжения можно принять такие:

При переменных нагрузках допускаемые напряжения рекомендуется понижать на (10…20)%

При проектировании заклепочных соединений:

1 Следует симметрично располагать плоскости среза относительно линии действия сил, чтобы избежать отрыва головок, из-за действия изгибающих моментов.

2 Стержни (уголки или другие профили) следует располагать так, чтобы расчетные линии действия сил, проходящие через центры тяжести сечений стержней, пересекались в одной точке, в противном случае в соединении кроме сил появляются моменты.

3 Число заклепок для каждого уголка должно быть не менее двух, иначе будет шарнир.

4 необходимо следить, чтобы равнодействующая нагрузок приходилась на центр тяжести шва и центр тяжести, например уголка.

В соединении а) устранен один момент, а в соединении б)- оба.

Шпоночные соединения

Шпоночные соединения образуются посредством шпонки, установленной в сопряжённые пазы вала и детали, устанавливаемой на вал (шкив, маховик, колесо и т.п.).

Шпонки располагаются между валом и посаженной на него деталью (например, зубчатым колесом). Передают вращающий момент между валом и колесом. Размеры шпонок и пазов регламентированы стандартами.

Призматические, наиболее распространенные по ГОСТ 23360-78

или призматические направляющие по ГОСТ 10780-79

Сегментные шпонки по ГОСТ 24071-97

Клиновые шпонки по ГОСТ 24068-80

Реже применяются шпонки других форм.

Достоинства шпоночных соединений: просты, надёжны;удобны в сборке-разборке; Недостатки шпоночных соединений: ослабляют сечение валов и ступиц колёс; концентрируют напряжения в углах пазов; нарушают центрирование колеса на валу;

Шпоночные соединения могут быть:

Ненапряжёнными, выполняемыми призматическими или сегментными шпонками. Они передают момент только боковыми гранями;

Напряжёнными, выполняемыми клиновыми шпонками. Они передают момент за счёт сил трения по верхним и нижним граням.

 

 

Призматические и сегментные шпонки всех форм испытывают смятие боковых поверхностей и срез по средней продольной плоскости

Призматические шпонки рассчитывают по следующим формулам: ; , где h – высота сечения шпонки, d – диаметр вала, b – ширина сечения шпонки, l – рабочая длина шпонки (участок, передающий момент). Сегментные шпонки рассчитывают по следующим формулам: ; , где l –длина шпонки (прямолинейный участок).

Исходя из статистики поломок, расчёт на смятие проводится как проектный. По известному диаметру вала задаются стандартным сечением призматической шпонки и рассчитывают её рабочую длину. Расчёт на срез – проверочный. При невыполнении условий прочности увеличивают рабочую длину шпонки. В соединениях применяются шпонки из чистотянутой стали 45 или из стали 30ХГСА. Для неподвижных шпоночных соединений допускаемое напряжение рекомендуется, следующее: [σ]_см=0,8∙σ_Т, при пульсирующей - [σ]_см=0,55∙σ_Т, при знакопеременной-[σ]_см=0,4∙σ_Т. Значение σ_Т принимается для наименее прочного материала (шпонки, вала или втулки).

При проектировании шпоночного соединения следует придерживаться следующих рекомендаций:

1 Длина сопряжения втулки с валом обычно (1,0…1,2)∙d_вала, применение торцевой фиксации соединения позволит уменьшить это значение. При недостаточной прочности соединения следует применить шпонки большего стандартного значения.

2 Не рекомендуется установка двух шпонок так как мало увеличивает прочность соединения из-за неравномерного распределения нагрузок, но при этом значительно ослабляет сечение вала.

Находят применение другие виды шпоночных соединений: фрикционные, тангенциальные, круглые.

 

 

Шлицевые соединения

Они образуются выступами на валу, входящими в сопряжённые пазы ступицы колеса. Как по внешнему виду, так и по динамическим условиям работы шлицы можно считать многошпоночными соединениями. Некоторые авторы называют их зубчатыми соединениями. В основном используются прямобочные шлицы (а) ГОСТ1139-80, реже встречаются эвольвентные (б) ГОСТ 6033-80 и треугольные (в) профили шлицов (они не стандартизованы). Эвольвентные шлицы выполняют с углом исходного контура α=30º и модулем от 0,5мм до 10мм. Треугольные профили выполняют с модулем (0,2…0,5)мм и числом зубьев 20…70. Угол при вершине зубьев чаще всего равен 72º, однако может быть и другим.

 

Прямобочные шлицы могут центрировать колесо по боковым поверхностям, при передаче больших непостоянных крутящих моментов переменного направления при отсутствии радиальных нагрузок;

по внутренним поверхностям при значительных радиальных нагрузках и твердости вала и втулки НВ≥350;

по наружным поверхностям при значительных радиальных нагрузках и твердости вала НВ≥350 и втулки НВ≤ 350;

 

 

Шлицевые соединения выполняют трех серий: легкой, средней, тяжелой.

ОбозначениеD 8 x 36H7/g6 x 40 означает восьмишлицевое соединение с центрированием по наружному диаметру с размерами d = 36 и D = 40 мм и посадкой по центрирующему диаметру H7/g6.

Аналогичным образом центрируются эвольвентные шлицы. Они применяются в более нагруженных соединениях. Существует также три серии.

ОбозначениеD-50H7/g6 x 2 х 9H9/h9 эвольвентное шлицевое соединение с центрированием по наружному диаметру с размером D = 50 мм и посадкой по центрирующему диаметру H7/g6, модуль 2мм, посадка по не центрирующим боковым поверхностям 9 зубьев -H9/h9.

В сравнении со шпонками шлицы имеют следующие преимущества: имеют большую несущую способность; лучше центрируют колесо на валу; усиливают сечение вала за счёт большего момента инерции ребристого сечения по сравнению с круглым сечением; обладают меньшей концентрацией напряжений;

Недостаток: требуют специального оборудования для изготовления отверстий.

Основными критериями работоспособности шлицов являются:

сопротивление боковых поверхностей смятию (расчёт аналогичен шпонкам);

сопротивление износу при фреттинг-коррозии (малые взаимные вибрационные перемещения).

Смятие и износ связаны с одним параметром – контактным напряжением (σ_см). Это позволяет рассчитывать шлицы по обобщённому критерию одновременно на смятие и контактный износ. Допускаемые напряжения [σ]_смназначают на основе опыта эксплуатации подобных конструкций.

Для расчёта учитывается неравномерность распределения нагрузки по зубьям.

Среднее давление смятия рассчитывают по следующей формуле:

σ_см=M_кр/(0,5∙d_m∙l∙h∙z∙k),

где M_кр- расчетный вращающий момент, d_m- средний диаметр соединения (для прямобочных шлицев d_m=0,5∙(d+D), для эвольвентных - d_m=m∙z, где z- число зубьев, m-модуль), l- рабочая длина соединения, h- рабочая высота зубьев (для прямобочных шлицев h =0,5∙(D- d)- 2∙с, где с-величина фаски, для эвольвентных - h =0,8), k=1,3..1,8 –коэффициент неравномерности распределения нагрузки (меньшие значения принимать для эвольвентных шлицев и при центрировании по боковым поверхностям). Допускаемые напряжения смятия и износа для прямобочных шлицев приводятся в ГОСТ 21425-75. Однако для проектировочных расчетов неподвижных соединений можно принимать значения допускаемых напряжений приведенных ниже. Для подвижных соединений, передающих вращающий момент, но перемещающихся без нагрузки, данные значения уменьшаются в 3 раза. Для подвижных соединений, перемещаемых под нагрузкой -[σ]_см=(5…15)МПа.

Значения указаны в МПа

При конструировании шлицевых соединений необходимо обеспечить фиксацию посаженной на вал детали в осевом направлении. Необходимо предусмотреть участок для выхода фрезы на валу. Профиль на втулке желательно выполнять на проход, как наиболее технологичный (выполняется протяжкой). Без выхода- долблением.

Наряду со шлицевыми соединениями широко используют профильные соединения: квадрат, треугольник, круглое с лыской и пр.

 

Штифтовые соединения

 

Штифтовые соединения образуются совместным сверлением соединяемых деталей и установкой в отверстие с натягом специальных цилиндрических или конических штифтов. Соединения предназначены для точного взаимного фиксирования деталей, а также для передачи небольших нагрузок. Конструкции штифтов многообразны.

Известны цилиндрические (а, б), конические (в, г, д), цилиндрические пружинные разрезные (е), просечённые цилиндрические, конические и др. (ж, з, и, к), простые, забиваемые в отверстия (б, в), выбиваемые из сквозных отверстий с другой стороны (гладкие, с насечками и канавками, пружинные, вальцованные из ленты, снабжённые резьбой для закрепления или извлечения (д) и т.д.

 

Применяются специальные срезаемые штифты, служащие как предохранители.

Гладкие штифты выполняют из стали 45 или А12, штифты с канавками и

пружинные – из пружинной стали. При закреплении колёс на валу штифты передают как вращающий момент, так и осевое усилие.

Достоинства штифтовых соединений:

- простота конструкции;

- простота монтажа-демонтажа;

- точное центрирование деталей, благодаря посадке с натягом;

- работа в роли предохранителя, особенно при креплении колёс к валу.

Недостатком штифтовых соединений является ослабление соединяемых деталей отверстием.

Подобно заклёпкам штифты работают на срез и смятие. Соответствующие расчёты выполняют обычно как проверочные.

Штифты с канавками рассчитывают, как гладкие, но допускаемые напряжения материала занижают на 50%.

⇐ Предыдущая123

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: