Инструкция по технике безопасности

1. К самостоятельной работе в лаборатории допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности.

2. Запрещается самостоятельно включать рубильник распределительного щита.

3. Запрещается оставлять без присмотра включённые приборы, аппаратуру и оборудование.

4. Запрещается курить в помещении лаборатории.

5. Ответственность за соблюдение правил техники безопасности в лаборатории возлагается на заведующего лабораторией.

Лабораторная работа № 1 Знакомство с соединениями деталей машин, их назначение, классификация и определение основных параметров

1.1. Цель работы - изучить различные виды неразъемных и разъемных соединений, которые широко применяются в строительном производстве и машиностроении.

1.2. Общие сведения. Соединение деталей – конструктивное обеспечение их контакта с целью образования из них частей (сборочных единиц) механизмов и машин. Имеется значительное количество различных видов соединений, которые могут быть классифицированы по разным признакам (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Классификация соединений деталей

В машиностроении принято называть соединениями только неподвижные соединения, которые в свою очередь подразделяются на неразъёмные (не позволяющие разобрать соединения без разрушения) и разъёмные (разборка которых не требует разрушения). Из всех известных видов неразъёмных соединений наиболее широко распространены заклёпочные, сварные, паяные, клеевые и прессовые соединения.

Заклепочное соединение деталей – это неразъемное соединение деталей при помощи заклепок (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Заклепочное соединение

Применяется в конструкциях, работающих в условиях ударных и вибрационных нагрузок, при небольших толщинах соединяемых деталей, для скрепления деталей из разных материалов, деталей из несвариваемых и не допускающих нагрева материалов. Классификация заклепочных швов представлена на рис. 1.3.

Заклепочный шов

По назначению

По расположению соедин. деталей

По числу рядов

По расположению заклепок

П рочные

Нахлесточные

Однорядные

Параллельные

П лотные

С тыковые

Многорядные

С шахматным расположением

Прочноплотные

С одной накладкой

С двумя накладками

Рис. 1.3. Классификация заклепочных швов

Неразъемные соединения деталей могут быть получены раздачей (рис 1.4), вальцеванием (рис 1.5), раскатыванием (рис 1.6), обжатием (рис 1.7) и другими методами пластической деформации. Соединение методами пластической деформации на чертеже обозначается с помощью линии-выноски с указанием названия метода.

     

Рис. 1.4. Соединение деталей раздачей  

Рис. 1.5. Соединение деталей вальцеванием  

Рис. 1.6. Соединение деталей раскатыванием  

Рис. 1.7. Соединение деталей обжатием  

Большое разнообразие областей применения заклёпочных соединений порождает и большое число их разновидностей.

Классификация заклёпочных соединений

1. По функциональному назначению – прочные, предназначенные только для передачи нагрузки; плотные, обеспечивающие герметичное разделение сред, и прочноплотные, способные выполнять обе названные функции.

2. По конструктивным признакам шва – нахлёсточное соединение (рис.1.8, а); стыковое соединение, которое в свою очередь может быть выполнено с одной (рис. 1.8, б) либо с двумя (рис. 1.8, в) накладками.

Рис. 1.8. Основные типы заклёпочных швов: а – нахлёсточный; б – стыковой с одной накладкой; в – стыковой с двумя накладками

3. По числу поверхностей среза, приходящихся на одну заклёпку под действием рабочей нагрузки, – односрезные; двухсрезные; многосрезные.

4. По количеству заклёпочных рядов в шве – однорядные; двухрядные и многорядные.

Рис. 1.9. Некоторые виды заклёпок

Разнообразие заклёпочных соединений порождает соответственно большое число разновидностей самих заклёпок. По форме закладных головок заклёпки бывают: с полукруглой, полусферической (рис. 1.9, а), потайной, (рис. 1.9, б), полупотайной (рис. 1.9, в), цилиндрической (рис. 1.9, г) и другими головками. А по форме стержня (тела) заклёпки могут быть сплошными (полнотелыми, полупустотелыми, пустотелыми) (рис. 1.9, д).

Большая часть типоразмеров заклёпок стандартизована. Обозначение заклёпки в конструкторской документации обычно включает номер стандарта, диаметр стержня и длину тела заклёпки, выбираемую из ряда нормальных линейных размеров с учётом запаса длины на формирование замыкающей головки.

Подбор заклёпок для заклёпочного соединения при равной толщине склёпываемых листов и одинаковой их прочности выполняется в зависимости от толщины листов - s (рис. 1.10), а для соединения листов разной толщины диаметр заклёпки устанавливают в соответствии с суммарной

толщиной всего пакета - S. Рис. 1.10. Параметры заклёпочного соединения

При соединении листов равной толщины (размеры в мм) диаметр заклёпки d = s + (4 – 8).

Шаг установки заклёпок в ряду - 3d < t < 6d . Расстояние оси заклёпки от края листа - 1,5< е <2 d. Для соединения листов разной толщины диаметр заклёпки - d = (3-3,5)·√ s. Для швов с накладками толщина накладок составляет при одной накладке

S н = ( 1,25 – 1,5) · s;

для двухнакладочного шва толщина каждой S н = ( 1,25 – 1,5) · s. Заклёпки изготавливают из малоуглеродистых и легированных сталей, меди и медных сплавов (чаще это латуни), алюминия и алюминиевых сплавов. Материал заклёпок должен удовлетворять следующим требованиям: - высокая пластичность и незакаливаемость при нагревании, облегчающие клёпку и способствующие равномерному нагружению заклёпок рабочими нагрузками;

- температурный коэффициент расширения, мало отличающийся от такового для материала склёпываемых деталей;

- не создавать гальваническую пару с материалом склёпываемых деталей.

Критерием работоспособности большинства заклёпочных соединений является их прочность.

1. Под действием касательных напряжений в теле заклёпки возможен её

срез по сечению, лежащему в плоскости контакта склёпываемых листов.

2. Под действием контактных напряжений, действующих между телом заклёпки и поверхностью отверстий под её установку, возможно смятие контактирующих (цилиндрических) поверхностей.

3. Под действием нормальных напряжений в теле склёпываемых листов, действующих в сечении шва, ослабленном отверстиями под установку заклёпок (рис. 1.11, сечение 1-1), возможен разрыв листов по этому ослабленному сечению.

4. Под действием касательных напряжений в теле склёпываемых листов возможен вырыв (срез) части металла склёпываемых листов (часть листа, ограниченная сечениями 2-2, рис. 1.11).

Рис. 1.11. Напряжения в заклёпочном шве

Поэтому ответственные соединения требуют прочностного расчета по всем четырём видам напряжений. При этом допускаемые напряжения назначаются в зависимости от прочностных показателей материала заклёпок и склёпываемого металла, от качества подготовки соединения под клёпку (чистота и точность обработки отверстий, точность их совмещения, прилегание склёпываемых деталей и т.п.), от характера рабочей нагрузки (статическая, динамическая, знакопеременная и др.), а также от внешних условий, в которых дол­жно работать соединение (температура, агрессивность

среды и др.). Допускаемые напряжения для заклёпок из малоуглеродистой стали, работающих при статической нагрузке, можно принять в соответствии с табл. 1.1. Нагруженных знакопеременной (циклической) нагрузкой допускаемые напряжения должны быть снижены на – 30÷50 %.

Таблица 1.1

Допускаемые напряжения для заклёпок из малоуглеродистой стали

Вид напряжений	Характер обработки отверстия и материал заклёпки
	Пробитое отверстие		Сверлёное отверстие
	Стали 10 и 20	Сталь Ст3	Стали 10 и 20	Сталь Ст3
Срез [], МПа	100	240	140	100
Смятие [], МПа	240	280	280	320

Сварные соединения. Сваркой называется процесс получения неразъемного соединения посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого (ГОСТ 2601-84).

Сварные соединения деталей являются наиболее совершенными неразъемными соединениями. Прочность сварных соединений при статических и ударных нагрузках доведена до прочности деталей из целого металла. Освоена сварка всех конструкционных сталей, включая высоколегированные, цветных сплавов и пластмасс.

Сварные соединения нашли самое широкое применение в промышленности, машиностроении и строительстве. Без применения сварки в настоящее время не выпускается практически ни одна машина. Широкому распространению сварных соединений способствовало наличие у них большого числа преимуществ перед клёпаными соединениями. Сварочная сборная единица представляет собой неразъёмное соединение двух или нескольких деталей, выполненное с помощью сварки.

Существует более 60-ти способов сварки, которые можно классифицировать по признакам. , представленным на рис. 1.12.

Достоинства сварных соединений:

1. высокая технологичность сварки, обусловливающая низкую стоимость сварного соединения;

2. снижение массы сварных деталей по сравнению с литыми и клёпаными на 25÷30 %;

3. возможность получения сварного шва, равнопрочного основному металлу (при правильном конструировании и изготовлении);

4. возможность получения деталей сложной формы из простых заготовок;

5. возможность получения герметичных соединений;

6. высокая ремонтопригодность сварных изделий.

Рис. 1.12. Классификация методов сварки

Недостатки сварных соединений:

1. коробление (самопроизвольная деформация) изделий в процессе сварки и при старении;

2. возможность создания в процессе сварки сильных концентраторов напряжений;

3. сложность контроля качества сварных соединений без их разрушения;

4. сложность обеспечения высокой надежности при действии ударных и циклических, в том числе и вибрационных, нагрузок.

Из наиболее распространённых способов к сварке плавлением относятся соединения, выполненные электродуговой сваркой с различными её модификациями (ручная дуговая плавящимся и неплавящимся электродом, сварка под слоем флюса, сварка в среде защитных газов и пр.), газовой сваркой (при нагреве свариваемых кромок теплом газового пламени), электрошлаковой сваркой, сваркой лазерным лучом, электронным пучком и некоторые другие виды сварных соединений. В группу соединений без расплавления кромок входят соединения, выполненные кузнечной сваркой, всеми видами контактной сварки (стыковой, точечной, шовной), сваркой посредством пластического холодного деформирования, сваркой взрывом, диффузионной сваркой в вакууме, сваркой трением и другие виды соединений. Самое широкое применение в промышленности, строительстве и других областях производства нашла электродуговая сварка плавлением с применением неплавящихся (уголь, вольфрам) и плавящихся электродов. Электродуговая сварка неплавящимся электродом изобретена в конце XIX века (сварка угольным электродом предложена в 1882 г., патент в 1885 г.) Николаем Николаевичем Бенардосом, а в 1888 Николай Гаврилович Славянов усовершенствовал этот метод, применив металлический плавящийся электрод. В настоящее время основная масса сварных соединений, выполненных электродуговой сваркой, стандартизована. По взаимному расположению частей сварного соединения последние можно разделить на 5 основных типов (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Типы сварных соединений: а) стыковое; б) угловое; в) тавровое;

г) нахлёсточное; д) торцовое

Металл, затвердевший после расплавления и соединяющий сваренные детали соединения, называют сварочным швом. Формирование сварочного шва сопровождается частичным оплавлением поверхностей деталей, участвующих в образовании сварного соединения. Поверхности свариваемых деталей, подвергающиеся частичному оплавлению при формировании сварочного шва и участвующие в образовании соединения, называются свариваемыми кромками. По аналогии с заклёпочными швами сварные швы по функциональному назначению делят на прочные, от которых не требуется обеспечение герметичности, плотные, главное требование к которым герметичность, и прочноплотные, у которых требование прочности сочетается с требованием герметичности разделяемых пространств. По форме поперечного сечения сварные швы делятся на стыковые (рис. 1.14, I) и угловые (рис. 1.14, II). Кроме того, поперечное сечение шва зависит от формы подготовки кромок под сварку. Так, например, в стыковых соединениях применяются швы с отбортовкой кромок, без скоса кромок (рис. 1.14, Iа), с V-образной разделкой кромок (рис. 1.14, Iб), с K-образной разделкой кромок (рис. 1.14, Iв), с X-образной разделкой кромок (рис. 1.14, Iг). Швы с разделкой кромок применяются и в других видах соединений. Форма разделки кромок зависит от толщины свариваемого металла, от вида сварки (ручная или автоматическая), от способа защиты расплавленного металла от окисления (сварка под слоем флюса, сварка в среде защитных газов и т.п.) и некоторых других факторов. Для наиболее распространённых видов сварки (ручной плавящимся электродом, полуавтоматической и автоматической под слоем флюса и др.) разделка кромок стандартизована.

Рис. 1.14. Швы сварочные: I  стыковые, II - угловые

По форме наружной поверхности швы могут быть плоские (рис. 1.14, IIа), вогнутые (рис. 1.14, IIб), выпуклые (рис. 1.14, IIв). Иногда выпуклые швы необоснованно называют усиленными, а вогнутые – ослабленными. Однако усиление сварочного шва способствует концентрации напряжений в околошовной зоне металла, что отрицательно сказывается на работоспособности соединения при переменных нагрузках, а вогнутость уменьшает рабочее сечение шва, увеличивая тем самым напряжения в нём. По расположению швов относительно действующей нагрузки сварные швы разделяют на: лобовые (рис. 1.15, а), продольная ось которых перпендикулярна действующим усилиям, фланговые (рис. 1.15, б) или боковые, продольная ось которых по направлению совпадает с направлением действующих усилий, и косые (рис. 1.15, в), продольная ось которых направлена под некоторым углом к направлению действующей нагрузки. Швы, участки которых имеют различное направление по отношению к действующим усилиям, называют комбинированными (рис. 1.15, г).

Рис. 1.15. Расположение сварочных швов по отношению к действующей нагрузке

Критерием работоспособности большинства сварных соединений можно считать прочность шва и околошовной зоны при действующих в соединении нагрузках, которые могут иметь самый различный характер. При расчёте сварных соединений принимается ряд упрощений и допущений:

1. Нагрузку, приложенную к сварочному шву, считают равномерно распределённой по всей длине шва, в то время как измерения, выполненные на реальных швах, свидетельствуют о существенной неравномерности распределения нагрузки по длине шва, для большинства их типов.

2. При расчёте стыковых швов высоту шва принимают равной толщине свариваемого металла, независимо от наличия выпуклости (усиления) или вогнутости (ослабления или мениска).

3. При расчёте угловых швов (нахлёстные и тавровые соединения) в качестве сечения шва принимается равнобедренный прямоугольный треугольник, вписанный в фактическое сечение шва (рис. 1. 13. II, а…г), выпуклость шва и в этом случае не принимается во внимание.

4. При определении нагрузки парных фланговых швов, расположенных несимметрично относительно линии действия внешней нагрузки, величину нагрузки на каждый из швов считают обратно пропорциональной расстоянию от оси шва до линии действия внешней нагрузки.

Напряжения растяжения в стыковом шве вычисляют так же, как и для основного металла:

, (1.1)

где F – усилие, воспринимаемое сварочным швом; l – длина шва; s – толщина меньшего из свариваемых листов; [σ]р - допускаемые напряжения для свариваемого металла;

[σ]рш = (0,85÷1.0)·[σ]р  допускаемые напряжения растяжения для металла шва.

Угловые швы обычно рассчитываются на срез по опасному (наименьшему) сечению (сечение I-I на рис. 1. 13, IIа). В этом случае касательные напряжения:

, (1.2)

где k – катет шва, [τ]ш = (0,5 - 0,6)· [τ] - допускаемые касательные напряжения для металла шва.

При определении допускаемых напряжений для металла шва (наплавленного металла) величины коэффициентов в скобках принимаются в зависимости от вида сварки и качества присадочного металла. В сварочном производстве, как правило, применяют стандартные сварные швы, конструктивные элементы которых регламентируются ГОСТами в зависимости от геометрических параметров свариваемых элементов и способа сварки, который в свою очередь определяется химическим составом свариваемых материалов, прочностными и эксплуатационными требованиями к соединению. На рис. 1.16 приведен пример условного обозначения шва таврового соединения без скоса кромок, двустороннего прерывистого с шахматным расположением, выполняемого дуговой ручной сваркой в защитных газах неплавящимся металлическим электродом по замкнутой линии. Катет шва 6 мм. Длина провариваемого участка 50 мм. Шаг 100 мм.

Рис. 1.16. Пример условного обозначения шва