5.3.4 Методика виконання розрахунків на міцність.

При проектуванні будь-якої машини чи апарата розраховують механічні передачі, робочі органи, обичайки, кришки, опори, роз’ємні й нероз’ємні з’єднання, муфти, вали, вісі і осі, підшипники тощо. Ці розрахунки проводять з метою визначення оптимальних конструктивних розмірів різних вузлів і деталей машин чи апаратів, що забезпечують міцність, надійність і довговічність конструкції при мінімальних витратах матеріалу.

Важливим показником досконалості конструкції є умова рівної довговічності елементів. Наявність в конструкції хоча б одного недостатньо міцного чи недостатньо довговічного елемента знижує надійність конструкції в цілому.

На практиці зустрічаються випадки, коли різні елементи конструкції розраховують на різну довговічність чи на різний ресурс напрацювання до граничного стану. Наприклад, вали, як правило, розраховують на необмежений, а підшипники на обмежений ресурс. При цьому допускають заміну підшипників при чергових планових ремонтах. Розрахунок підшипників на великий ресурс в деяких випадках міг би привести до невиправданого завищення маси і габаритів в цілому. Обмежений ресурс мають ланцюги, ремені і деякі інші елементи. Важливо, щоб не один з цих елементів не виходив з ладу раніше наміченого терміну чергового планового ремонту.

Нижче наведено основні етапи розрахунку різних деталей та вузлів машин і апаратів. Методика розрахунків, необхідні дані та розрахункові формули надано у підручниках з курсів «Деталі машин», „Основи розрахунку конструктивних елементів” та відповідних довідниках.

Вали та вісі.

Задають діаметри вала з конструктивних міркувань. Далі перевіряють вал розрахунком на міцність і жорсткість. Розрахунок на жорсткість необхідний, оскільки вал, розрахований тільки на міцність, може не забезпечити нормальної роботи зубчастих коліс і підшипників, якщо під дією передавальних зусиль він буде надмірно деформуватись.

Розрахунком визначають:

• крутильний момент на валу з врахуванням ККД та колової швидкості;

• сили, що діють на вал і підшипники (складають розрахункову схему навантаження вала);

• реакції в опорах в двох взаємно перпендикулярних площинах і повні реакції;

• згинаючий момент в небезпечному перерізі (опори моментів);

• діаметр вала з розрахунку на міцність;

• кут нахилу пружної лінії в розрахунковому перерізі в двох взаємно перпендикулярних площинах і сумарний кут;

• деформацію в розрахунковому перерізі в двох взаємно перпендикулярних площинах і сумарне прогинання.

Перевіряють допустиме значення кута нахилу пружної лінії і величини прогинання вала в розрахунковому перерізі з розрахунковим і приймають рішення про придатність вала до експлуатації.

Шпонкові з’єднання.

Вибирають з конструктивних міркувань тип, переріз і кількість шпонок. Якщо на валу є ряд шпонок, які встановлено на різних за діаметром ступенях вала, то розраховують шпонку на ступені найменшого діаметра.

Перевіряють:

• призматичну шпонку на зминання робочих граней та на зрізання в небезпечному перерізі;

• сегментну шпонку на зминання частини, що виступає, та на зрізання в небезпечному перерізі;

• торцеву шпонку на зминання її вузької грані;

• циліндричну шпонку на зрізання діаметрального перерізу і на зминання бокової поверхні.

У випадку отримання незадовільного результату при перевірці вибраної шпонки збільшують переріз чи кількість шпонок і повторюють перевірочні розрахунки.

Шліцьові з’єднання.

Вибирають за конструктивними міркуваннями тип шліцьового з’єднання. Перевіряють бокові поверхні зубів шліцьового з’єднання на зминання.

Заклепкові з’єднання.

Вибирають за конструктивними міркуваннями тип, переріз і кількість заклепок.

Перевіряють заклепки по допустимим зусиллям в з’єднанні. У залежності від типу навантаження розрахунок з’єднання може бути на зминання, зрізання й розтягнення.

Зварні з’єднання.

Вибирають за конструктивними міркуваннями тип зварного шва та його основні розміри.

Підбирають для електрозварювання тип електрода у залежності від матеріалу зварюваних деталей та умов процесу зварювання (ручне, автоматичне зварювання).

Перевіряють зварні з’єднання на допустимі напруження у залежності від типу з’єднання деталей. Крім того, при дії на зварне з’єднання згинаючого моменту та повздовжньої сили, умови міцності знаходять з розрахунку нормальних чи дотичних напружень у зварному шві.

Різьбові з’єднання.

Вибирають за конструктивними міркуваннями тип болта чи гвинта, їх діаметр і кількість в з’єднанні.

Перевіряють міцність елементів з’єднання у залежності від умов навантаження на розтягнення чи стискання, на зрізання і зминання.

Зусилля, що діють на болти чи гвинти в клемних з’єднаннях, розраховують з умови, що момент тертя в клемному з’єднанні повинен дорівнювати зовнішньому моменту чи для надійності бути більше останнього приблизно на 20%. Далі з рівняння міцності болта і гвинта, що працює на розтягнення, визначають його розмір.

Зусилля, що діє на гвинти чи болти у фланцевому з’єднанні, визначають, як суму зусилля від тиску середовища, що відтискає кришку від фланця і сили нормального тиску на прокладку, яка забезпечує щільність та герметичність з’єднання. Далі визначають зусилля, що приходиться на один болт, і з рівняння міцності болта чи гвинта, що працює на розтягнення визначають його діаметр.

Муфти.

Задають тип муфти у відповідності з конструктивними міркуваннями та умовами експлуатації.

Підбирають конструктивні розміри муфт звичайно по таблицях в довідковому матеріалі у залежності від діаметра з’єднуваних валів і допустимого крутильного моменту, що передається муфтою.

Перевіряють:

• для втулкових муфт – на зрізання штифти, шліци чи шпонки, що використовуються для передачі крутильного моменту;

• для фланцевих муфт – болти, шпильки чи пальці, що передають крутильний момент.

Чорні болти (поставлені з зазором) – на розтягнення, а якщо використовуються чисті болти (поставлені без зазору) – на зрізання.

Підшипники ковзання.

Розрахунком визначають:

• колову швидкість шийки вала для радіальних підшипників, а для упорних – швидкість точки, що знаходиться на осі обертання на відстані 2/3 радіуса п’яти;

• питомий тиск в підшипнику по діючому на нього зусиллю та його конструктивним розмірам.

Проводять перевірку розрахункового значення питомого тиску в підшипнику по допустимим значенням.

Визначають добуток питомого тиску на колову швидкість вала і перевіряють його по допустимому значенню.

Підшипники кочення.

Підбирають тип підшипника, виходячи з умов експлуатації і конструкції конкретного підшипникового вузла у відповідності з розмірами та основними характеристиками підшипників.

Розрахунком визначають:

• умовне навантаження, яке враховує як характер і напрямок діючих навантажень, так і особливості кінематики і температури вузла;

• коефіцієнт працездатності підшипника по емпіричному рівнянню.

Підбирають за таблицями номер підшипника, що відповідає розрахунковому коефіцієнту працездатності.

Тонкостінні корпуси апаратів і труби (δ≤0,03D), що працюють під внутрішнім залишковим тиском.

Визначають силу, що розриває корпус у повздовжньому перерізі внаслідок дії внутрішнього залишкового тиску, і силу, що врівноважує, внаслідок дії напруження, що виникає в металі стінки корпуса від дії розриваючої сили. Прирівнюють обидві сили і, підставляючи в одержаний вираз значення допустимого напруження, що виникло в металі повздовжнього перерізу апарата, визначають товщину стінки корпуса.

Товстостінні циліндричні корпуси, що працюють під тиском.

Визначають товщину стінки корпуса в залежності від відношення зовнішнього діаметра до внутрішнього.

Циліндричні корпуси, що працюють під зовнішнім залишковим тиском.

Визначають товщину стінки корпуса, що працює на стискання. Перевіряють розрахункову товщину стінки корпуса апарата на стійкість. Для цього використовують формулу критичного тиску. Приймають певний запас стійкості (для горизонтальних корпусів m=5, для вертикальних m=4) і визначають товщину стінки корпуса у виразі для критичного тиску.

Кришки і днища апаратів.

Визначають товщину стінок кришок і днищ апаратів у залежності від їх форми та зусиль навантаження.