книги / Сварные конструкции.-1
.pdfтактную сварку, а при ручной сварке—электроды Э42А, Э46А, Э50А и др. по ГОСТ 9467—60.
Так как в большинстве случаев точный расчет сварных маши ностроительных конструкций затруднителен, то обычно прибегают к упрощению расчетных схем, принимая при этом повышенные
запасы прочности (k = |
2-т-З). |
|
ЭшХ |
3 3 7 3 |
\ 3 0 3230- 3 0 3 3 7 3 |
■< ------- |
|
dfc |
' |
I |
|
s |
|
оо |
|||
- 1 |
- 1 |
|||
|
* |
|
© |
|
|
|
|
|
|
№ 5 у € |
1290 |
Ш 5 |
2 № |
|
^— |
|
1000-0 |
|
|
099Ф |
|
, 5 |
1C}, |
Фиг. XII. 2. Сварно-кованый вал подъемной шахт ной машины.
Весьма часто сварные детали и узлы машин работают в усло виях повторно-переменных нагрузок. Эти элементы следует кон струировать таким образом, чтобы концентрация напряжений в них была минимальной, и в случае необходимости проверять на выносливость. При этом можно пользоваться методикой, изло женной в § 4 и 5 гл. IV, а эффективные коэффициенты концентра ции напряжений принимать по приложению V.
§ 2 . Разные сварные детали и мелкие узлы
На фиг. XII. 3 показаны конструкции сварных тяг с проуши нами и вилками. Приведенная на фиг. XII. 3, а конструкция тяги с проушиной состоит из полосы и приваренной к ней стыковым швом проушины, которая изготовляется также из полосы, но большей ширины. При действии на проушину значительного уси лия она может быть изготовлена из полосы большей толщины, чем тяга, или усилена отрезком трубы, который вставляется в отверстие проушины и приваривается к ней круговым валиковым швом. В некоторых случаях проушина изготовляется из по ковки или отливки (фиг. XII, 3, б) при этом переход к закруглению должен начинаться на достаточном расстоянии от стыкового шва, соединяющего тягу с проушиной.
На фиг. XII. 3, в, г показаны конструкции проушин на конце стержня, состоящего из полосы или двутавра, обладающие высо кой усталостной прочностью благодаря плавным переходам от стержня к проушине, что достигается механической обработкой.
Простейшая конструкция сварной тяги с вилкой, показанная на фиг. XII. 3, д, состоит из плоской тяги и приваренной к ней валиковыми швами литой или кованой вилки. При значительных нагрузках на тягу обычные угловые швы должны быть заменены К-образными. На фиг. XII. 3, е изображена конструкция тяги с вилкой, целиком сваренная из плоских элементов, изготовлен
ных из полос. Наилучшим с технической точки зрения решением является конструкция, приведенная на фиг. XII. 3, ж\ она со стоит из плоской тяги и приваренной к ней стыковым швом вилки
(поковка |
или |
литье). |
В сварном исполнении изготовляются кривошипы, рычаги, |
||
рукоятки |
и |
многие другие элементы машин и механизмов |
(фиг. XII. 4), |
а также подшипниковые опоры и цапфы (фиг. XII. 5). |
|
to со
\ |
^ j |
^ |
j tfr |
!t_1р i |
|||
Фиг. XII. 4. Конструкции сварных деталей машин: |
|||
а — кривошипов; б , в, |
г — рычагов; д — рукоятки. |
||
Фиг. XII. 5. Сварные конструкции: а, б — подшипниковых опор; в — цапфы.
П р и м е р J. Требуется проверить прочность стыкового шва, |
соединяющего |
тягу с проушиной (фиг. XII. 6). Тяга представляет собой полосу |
сечением 80 X |
X 12 м м , изготовленную из стали марки Ст. 3. Шов выполнен ручной сваркой электродами типа Э42 и выведен на технологические планки. К проушине приложенычшлы: постоянная статическая Р х = + 2 ,5 т с (25 /с«)"и переменная Р 2 ме няющая свое значение от 0 до + 4 ,5 т с (+45 кн ); динамическое действие силы Р 2 учитывается умножением на поправочный коэффициент ф = 1,2. Тогда суммар ная сила будет меняться от
до |
Р т in = |
P i = |
+ 2 ,5 |
т с |
(25 кн ) |
|
|
|
||||
+ № 2 = |
2,5 + 1,2-4,5 = |
+7,45 т с |
(+74,5 |
|
|
|||||||
Рт ах = P i |
к н ). |
|
||||||||||
Расчетные площади поперечного сечения основного металла тяги и стыко |
||||||||||||
вого шва одинаковы и равны |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
F = |
F M = |
1 ,2 -8= 9,6 см 9 , |
|
|
|||||
|
поэтому наименьшие и наибольшие напряжения |
в основ |
||||||||||
|
ном металле и в шве одинаковы |
|
|
|
||||||||
|
ffmin —' P min |
|
2500 |
= |
260 кес!см 3 (д а н /с м 2); |
|||||||
|
|
|
|
|
|
9,6 |
|
|
|
|
|
|
|
amax : |
|
|
7450 |
= |
776 к гс /с м 2 (д а н /см 2). |
||||||
|
|
|
9,6 |
|||||||||
|
|
|
F |
|
|
|
|
|
|
|||
|
Тогда коэффициент асимметрии цикла |
|
|
|||||||||
|
|
|
Q = |
tfmin |
|
260 |
0,335. |
|
|
|||
|
|
|
ffmax |
|
776 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Фиг. XII. 6. К рас |
Проверяем |
прочность шва |
для |
двух |
вариантов его |
|||||||
выполнения и контроля. |
|
|
|
|
|
|
||||||
чету стыкового шва, |
В а р и а н т |
1. |
|
По этому варианту принимаем шов |
||||||||
соединяющего тягу |
необработанный |
и контроль |
качества обычный. |
Коэффи |
||||||||
с проушиной. |
циент |
концентрации |
напряжений в месте перехода от |
|||||||||
|
основного металла к стыковому (J = |
1,4 (см. п. 8 прило |
||||||||||
жения V), а допускаемое напряжение в стыковом шве, работающем на растяже |
||||||||||||
ние, при обычных способах контроля |
его |
качества равно |
|
|
|
|||||||
|
[ос; ] |
= |
Y0,85[a] = |
Y0,85^1 |
|
|
|
|
||||
где k — коэффициент запаса прочности, принимаемый в данном случае равным 2. Коэффициент у определяется по формуле (IV. 24)
1 |
1 |
= 0,807. |
(ф+Ь)-(сф-Ь)Я = |
(0,9-1,4 + 0,3) — (0.9 -1,4 — 0,3) - 0,335 |
Условие прочности будет иметь следующий вид
tfmax ^
у0,807от
k '
откуда
,у0,85сгт _ 0,807-0,85-2400
<W 776
следовательно, условие прочности соблюдено,
274
В а р и а н т 2. Ё даннбм случае принйт шов обработанный Иконтроль его |
|||
качества просвечиванием. Согласно п. 9 приложения V р = |
1,0 при этом |
||
Y== (0,9-1 +0,3) — (0,9-1 — 0,3)-0,335 = |
1, |
||
Тогда условие прочности выразится так |
От |
|
|
|
У 0 Г |
|
|
откуда |
k |
|
|
2400 |
|
|
|
0 Т |
|
|
|
k = tfmax |
776 = |
3,1 > 2. |
|
Как и следовало ожидать, в этом случае запас прочности оказался значительно больше, чем при варианте 1.
П р и м е р |
2. Требуется рассчитать сварные валиковые швы Нш = 8 м м , при |
|||||||||||
крепляющие рычаг из Ст. 3 к валу d = |
70 м м из Ст. 5 (фиг. XII. 7). Сварка руч |
|||||||||||
ная электродами типа Э42. |
|
|
|
|
13 см |
|
П оперечное |
|||||
К проушине рычага на плече |
а = |
|
||||||||||
приложена |
переменная сила Р |
= |
± 1400 |
к гс |
|
сечение по ш ву |
||||||
(± 14 к н ) у динамическое действие которой учиты |
|
|
||||||||||
вается коэффициентом ф = |
1,3. Таким |
образом, |
|
|
||||||||
на проушину рычага действуют: |
|
|
|
|
|
|
Ьщ~8 |
Ьш-8 |
||||
сила |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Ртах = |
фР = 1,3.1400 = |
± 1820 к гс |
(дан); |
|
|
|
||||||
крутящий момент |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
M k = P m z x a == 1820-13 = ±23 660/сгс*сл( (д а н -с м ). |
|
|
||||||||||
Каждый из двух швов |
в сечении представ |
|
|
|||||||||
ляет собой круговое кольцо, для которого: |
|
|
|
|
||||||||
площадь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F M = |
e h iu s td = 0,7 .0,8 .3,14 .7= |
12,3 см 2; |
|
|
|
|||||||
полярный момент инерции |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
я |
|
|
я |
|
3,1432 |
X |
|
|
|
|
|
X |
(7 + |
2-0,8)4 |
3,14 |
300 м 4; |
|
|
|
Фиг. ХП. 7. |
К расчету угло |
|||
32 |
|
|
|
|
вого шва, |
прикрепляющего |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
полярный момент сопротивления |
|
|
|
|
рычаг к валу. |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
К - |
'У |
= т4,3т |
|
= 7 0 |
см3> |
|
|||
|
|
|
r + |
h m |
|
|
||||||
наибольшие напряжения среза в шве |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
Mk |
1820 |
, |
23 660 |
= |
74 + |
170 = 244 кгс!см 2(д а н /см 2); |
||||
■'то v |
2рш + 2 W™ |
2 . | 2~з ^ |
" 2 .7 0 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
наименьшие напряжения среза в шве |
|
|
|
|
|
|||||||
Тогда |
|
|
Tmin = —244 к гс/см 2 |
(д а н /см 2). |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Q |
l mln |
|
—244 |
|
|
||||
|
|
|
ТШ |
|
244 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
т тах |
|
|
|
|
|
|
|
|
Так как вал йзготовлен из стали 0т. 6, то данный в п. 1? приложения V коэф фициент р = 1,3 увеличиваем на 10%, т. е. р = 1,1*1,3 ;= 1,43, а коэффициент у будет равен
у = (0,9-1,43 + 0,3) — (0,9-1,43 — 0,3) (— 1) = |
0,389' |
|||
Условие прочности шва имеет вид |
|
|
|
|
: < Y [4 1 |
= Y°-7 [a| = |
УЧ |
0т" > |
|
откуда |
|
|
|
|
k = z У°>7огт |
0,389*0,7*2400 |
= |
2,94 > |
2. |
|
222 |
|
|
|
П р и м е р 3 . Требуется проверить прочность сварного валикового шва к ш = |
||||
= 5 м м , прикрепляющего подшипниковую опору |
плите (фиг. XII. 8, а ). Мате |
|||
риал опоры и плиты Ст. 3; сварка ручная электродами типа Э42. |
||||
К подшипнику приложена постоянная сила Р в = |
0,4 пгс (4 к н ), действующая |
|||
вертикально вверх и переменная сила Р г = ± 1,05т с (10,5к н ), действующая гори
зонтально |
на плече а = |
0,18 м . Динамическое действие силы Р г учитывается |
|
коэффициентом ф = 1,1. Таким образом, на опоры действуют силы |
|||
|
|
Р ° = 0,4 т с (4 кн ); |
|
и момент |
Р 1 г = |
1,1*1,05= ±1,15 т с |
(±11,5 кн ) |
|
|
|
|
М = |
р ' га = ±1,15*0,18= ±0,207 т с - м = |
20 700 к г с -с м (д а н -с м ) . |
|
Площадь поперечного сечения основного металла и сварного шва в основа нии конструкции соответственно равны
р |
= (2 *1 6 + |
2*7)* 1 = 46 см 2; |
Рш= |
0,7 (2*18 + |
2*8) *0,5 = 18,3 см2. |
Моменты инерции и сопротивления сечения по основному металлу и по свар ному шву относительно оси х — х соответственно равны
Лх |
= |
|
= |
3402 - 1710 = 1692 см*-, |
|
|
Wx |
1692 |
= 188 см 3; |
|
|
|
9 |
|
Jx = —ттг----^-ПГ- = 4 6 1 0 ~ 3 4 0 2 ~ 1 2 0 8 с*<; |
||||
х |
12 |
|
12 |
|
|
|
х |
_ £ £ £ _ = 127 с м \ |
|
|
|
9,5 |
|
|
Напряжения по основному металлу в сечении I I —//: |
||||
растяжения от силы Р в |
|
|
||
|
_ |
Р в |
400 |
9 к гс/см 2 (д а н /см 2); |
|
° р ~ |
F |
~ 46 |
|
|
|
|||
М |
20 700 |
|
110. к гс /с м г (дан/см ?); |
a„ = F - = |
нгат |
~ . ± |
|
среза от силы Р г |
|
|
|
х= Р'г |
1150 |
= ± |
25 к гс/см 2 (дая/бл«2). |
F |
46 |
|
|
+ > г '
гттттптп
От моментам
ШШШ О г/ От силы Р г
|
гтак 8 т очке 1 |
г ш. |
|
|
|
|
l min 8 т ачке / |
|
Фиг. XII, 8. К расчету углового шва, прикрепляю |
||
|
|
щего подшипниковую опору к плите. |
|
Наибольшее и наименьшее суммарные напряжения в основном металле равны |
|||
<W |
= V ( о р + |
+ т2 = |
1/(9 + 110)*'+ 252 = 121 кгс/см ? (д а н /с м 2); |
CTmin = |
—V ( < J p + |
+ |
— У (9 — 110)2+ ( —25)* = —105 кгс/см * (д а н /с м *). |
е = CjninСтах |
—1.05121 = —0,87. |
Эффективный коэффициент концентрации напряжений в месте перехода от основного металла к шву по аналогии с п. 12 приложения V принимаем Р = 2,7. Тогда
Y |
(0,9.2,7 + |
0,3) — (0,9-2,7 — 0,3) (—0,87) 0,237’ |
||||||
Условие прочности основного металла имеет вид |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
_ |
стт |
|
|
|
|
|
Стах ^ Y |
> |
|
||
откуда |
|
ь — Уа т — |
0,237 «240Q = 4,7 > 2 . |
|||||
|
|
|||||||
|
|
|
Стах |
|
1 2 1 |
|
|
|
Напряжения |
среза |
по сварному |
шву в сечении |
I —/: |
||||
от силы Р в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
TÎU“ |
Рв |
400 |
~ 22 кгс/см2(дан/см2)> |
||||
|
“pH~ lô T |
|||||||
от момента М |
|
|
|
|
|
|
|
|
%2 = |
|
= |
2(^ в в __ ± |
163 к гс /с м 2 (д а н /см 2); |
||||
от силы Р г |
|
|
|
|
|
|
|
|
x°f = |
рш |
1 0 ,0 |
= |
± |
63 к гс /с м 2 (д а н /см 2). |
|||
Наибольшие и наименьшие суммарные напряжения в шве |
||||||||
т т а х |
= |
V { T? + 1 ? ) 2 + |
{Xf |
f = У (22 + |
163)2 + 632 = |
|||
|
|
|
|
= 196 |
к гс /с м 2 (д а н /см 2); |
|
||
С п ^ У « + ^ ) 2+(тзш ) 2 =
= — ]^(16 — 163)2 + |
(—63)а = — 160 к гс /с м 2 (да«/сл£2). |
|||
Коэффициент симметрии цикла равен |
|
|
|
|
Л _ Cmin____ ЮР |
-0,82. |
|
|
|
|
196 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Эпюры напряжений от растяжения, изгиба и среза показаны на фиг. XII. 8, б. |
||||
По аналогии с п. 6 приложения V находим коэффициент Р = |
2,3. Тогда |
|||
|
1 |
|
= |
0,262. |
(0,9*2,3 + 0,3) - |
(0,9*2,3-0,3) (-0,82) |
|||
< a x < Y [ x c; ] |
= Y0,7[a] |
|
k = = Æ S r _ = |
0.262.0,7.2400 |
^ 2 > 2 5 > 2 |
^шах |
|
|
§ 3. Сварные зубчатые колеса, |
шкивы, блоки |
|
и маховики |
|
|
Существует много конструкций сварных зубчатых колес, главным образом сварно-кованых; однако в настоящее время ободья колес часто вальцуют из толстых листов, которые сваривают встык.
При крупносерийном или массовом выпуске сварку целесооб разно производить на стыковых контактных машинах или на авто матах, специально приспособленных для данных деталей.
Сварные зубчатые колеса, шкивы, блоки и маховики состоят из обода, ступицы и соединяющих их элемен тов, которыми служат диски (сплош ные или с вырезами) или спицы.
Элементы сварных зубчатых колес часто изготовляют из разных мате риалов; так, например, в судовых зубчатых передачах ободья колес де лают из стали 40Х по ГОСТ 4543—54 (поковки), а диски из стали 25 по ГОСТ 1050—60 (листовой прокат).
В краностроении ободья зубчатых колес изготовляют из стали 45 по ГОСТ 1050—60 (поковки), диски из стали марки Ст. 3 по ГОСТ 380—60 и ступицы из стального литья марки 25ЛП по ГОСТ 977—58.
Ступица насаживается на вал и, соединяясь с ним при помощи шпонки, воспринимает крутящий момент. Обод колеса нагружен усилием, приложенным к одному или нескольким зубцам, нахо дящимся в зацеплении с шестерней.
На фиг. XII. 9 показана одна из конструкций зубчатого колеса со спицами. Количество спиц в колесах бывают от 4 до 8; чаще всего встречаются колеса с шестью спицами. В последнее время сварные колеса со спицами применяют редко, так как дисковые колеса показали значительные преимущества по сравнению с ними как в производстве, так и в эксплуатации. В зависимости от раз меров и нагрузки дисковые колеса изготовляют с одним или двумя дисками (фиг. XII. 10). Для облегчения конструкции в дисках делают вырезы, а для увеличения жесткости и устойчивости их усиливают ребрами или диафрагмами.
При применении шевронных передач возможно использование двухдисковых колес, в которых швы не испытывают осевых уси лий. Это позволяет отказаться от применения ребер и диафрагм. Одна из таких конструкций показана на фиг. XIÎ. 11. Диаметр колеса около 2 м, ширина 0,5 м, передаваемая мощность
6)
Фиг. XII. |
10. Сварные зубчатые колеса с дисками: а— однодисковое; |
|
б — двухдисковое. |
10 000 л. с. |
(7360 кет). Диски имеют трапецоидальное сечение: |
у обода их толщина равна 26 мм, у ступицы — 30 мм. Шевронная нарезка зубцов с углом наклона около 40° устраняет необходи мость применения диафрагм для придания поперечной жесткости,
500 |
благодаря чему уменьшается |
|||||
концентрация |
напряжений |
|||||
|
в |
дисках |
колеса; |
этому же |
||
|
способствует |
и |
применение |
|||
|
стыковых швов вместо угло |
|||||
|
вых. |
|
|
|
показали, |
|
|
|
Исследования |
||||
|
что |
наименьшую |
концентра |
|||
|
цию напряжений |
дают сты |
||||
|
ковые швы с подваркой корня |
|||||
|
и |
снятым |
усилением. Для |
|||
|
конструкций, |
работающих |
||||
Фиг. XII. 11. Сварное двухдисковое шев |
при |
статической |
нагрузке, |
|||
ронное зубчатое колесо без диафрагм. |
можно допускать соединения |
|||||
|
с |
усилением |
шва не свыше |
|||
15—20% толщины свариваемых элементов. В конструкциях же, работающих при повторно-переменной нагрузке, наличие значи тельного усиления шва или отсутствие подварки вызывает боль шую концентрацию напряжений. Такое же явление наблюдается в угловых швах как в усиленных, так и в несколько меньшей степени в швах без усиления. Снятие усиления осуществляется путем механической обработки.