2. Неразъемные соединения. Соединения с натягом

Натягом N называют положительную разность диаметров вала d отверстия: N = B - A. После сборки вследствие упругих и пластических деформаций диаметр d посадочных поверхностей становится общим. При этом на поверхности посадки возникают удельное давление р

Сборку соединения выполняют одним из трех способов: прессованием, нагревом втулки, охлаждением вала.

Прессование — распространенный и несложный способ сборки. Однако этому способу свойственны недостатки: смятие и частичное срезание (шабровка) шероховатостей посадочных поверхностей, возможность неравномерных деформаций деталей и повреждения их торцов. Шабровка и смятие шероховатостей приводят к ослаблению прочности соединения до полутора раз по сравнению со сборкой нагревом или охлаждением. Для облегчения сборки и уменьшения шабровки концу вала и краю отверстия рекомендуют придавать коническую форму.

Шабровка поверхностей контакта устраняется полностью при сборке по методу нагревания втулки (до 200…400°С) или охлаждения вала (твердая углекислота -79°С, жидкий воздух -196°С). Недостатком метода нагревания является возможность изменения структуры металла появление окалины и коробления. Метод охлаждения свободен от этих недостатков.

Расчёт посадок, несущей способности и прочности соединения.

При расчете посадок с натягом необходимо рассматривать как условие прочности (неподвижности) соединения, так и условия прочности его деталей.

Условие прочности соединения при нагружении осевой силой:

где р ‑ давление на поверхность контакта;

K = 1,5…2 ‑  — коэффициент запаса;

f – коэффициент трения в соединении.

Условие прочности соединения при нагружении крутящим моментом

При совместном действии крутящего момента T и осевой силы :

где  ‑ окружная сила.

В случаях сборки запрессовкой приведенные выше величины коэффициентов трения уменьшают в 1,8…2 раза. При сборке охлаждением ‑ увеличивают на 10%.

Условие прочности соединения при нагружении изгибающим моментом

По теории расчета толстостенных цилиндров, удельное давление на поверхности контакта связано с натягом зависимостью

где N ‑ расчетный натяг;

С₁ и С₂ ‑ коэффициенты:

;

 и  ,  и   ‑ модули упругости и коэффициенты Пуассона материалов вала и втулки:

При расчете прочности соединения расчетный натяг N определяют по минимальному табличному ( ) или вероятностному ( ) натягу с учетом поправки , т.е.

Величина и зависит от шероховатости посадочных поверхностей соединяемых деталей, способа сборки соединения и условий его эксплуатации.

В общем случае:

Здесь   ‑ поправка на смятие микронеровностей в собранном соединении

 ‑  поправка на температурную деформацию деталей.

 ‑ поправка, учитывающая уменьшение натяга в быстровращающихся деталях.

2. Неразъемные соединения. Сварные соединения

Сварное соединение – неразъемное. Оно образуется путем сваривания материалов деталей в зоне стыка и не требует никаких вспомогательных элементов.

Виды сварки: кузнечная; электрическая; контактная; сварка трением;

Из всех видов сварки наиболее широко распространена электрическая и контактная.

Электродуговая сварка основана на использовании теплоты электрической дуги для расплавления металла.

В электрошлаковой сварке источником нагрева служит теплота, выделяющаяся при прохождении тока от электрода к изделию через шлаковую ванну. Контактная сварка основана на использовании повышенного омического сопротивления в стыке деталей и осуществляется несколькими способами.

Стыковое соединение. Зоной термического влияния называют прилегающий к шву участок детали, в котором в результате нагревания при сварке изменяются механические свойства металла. Практикой установлено, что при качественном выполнении сварки разрушение соединения стальных деталей происходит преимущественно в зоне термического влияния. Поэтому расчет прочности стыкового соединения принято выполнять по размерам сечения детали в этой зоне.

на растяжение:

на изгиб

где   и   ‑ ширина и толщина полосы;

 ‑ допускаемое напряжение для сварных соединений.

Расчёт нахлесточного сварного соединения

Выполняется с помощью угловых швов.

В зависимости от формы поперечного сечения различают угловые швы:

1 ‑ нормальные k = k₁;

2 ‑ улучшенные (k / k₁ = 1:1,5; 1:2);

3 – вогнутые;

4 ‑ выпуклые.

На практике наиболее распространены нормальные швы.

Основные геометрические характеристики поперечного сечения нормального углового шва катет k и расчетная высота ‑  .

В большинстве случаев , где  ‑ меньшая из толщины свариваемых деталей. Разрушение углового шва происходит по сечению т ‑ т. Площадь опасного сечения шва равна , где  ‑ длина шва.

В зависимости от расположения различают швы лобовые, фланговые и косые.

Лобовой шов расположен перпендикулярно, а фланговый — napaллельно линии действия нагружающей силы. Обычно применяют комбинированное соединение фланговыми и лобовыми швами.

Фланговые швы. Основными напряжениями флангового шва являются касательные напряжения в сечении т — т. Расчет таких швов приближенно выполняют по среднему напряжению, а условия прочности записывают в виде:

В тех случаях, когда короткие фланговые швы недостаточны для выполнения условий равнопрочности, соединение усиливают прорезными швами. Условие прочности соединения с прорезным швом при

.

Если одна из соединяемых деталей асимметрична, то расчет прочности производят с учетом нагрузки, воспринимаемой каждым швом. Например, к листу приварен уголок, равнодействующая нагрузка F проходит через центр тяжести поперечного сечения уголка и распределяется по швам обратно пропорционально плечам e₁ и е₂. Соблюдая условие равнопрочности, швы выполняют с различной длиной так, чтобы

.

При этом напряжения в обоих швах

При нагружении швов крутящим моментом T максимальные напряжения можно определить по формуле:

,

где  ‑ полярный момент сопротивления сечения швов в плоскости разрушения.

Для сравнительно коротких швов ( ), распространенных на практике, применяют приближенный расчет по формуле

(*)

Лобовые швы. Основными являются касательные напряжения в плоскости стыка деталей и нормальные напряжения в перпендикулярной плоскости.

По методу, принятому в инженерной практике, лобовые швы рассчитывают только по . За расчетное сечение, так же как и во фланговых швах, принимают сечения по биссектрисе т — т. При этом:

.

Такая условность расчета тоже подтверждается практикой. Расчет лобовых швов только по и сечению т ‑ т делает расчет всех лобовых швов единым независимо от их расположения к направлению нагрузки.

Когда соединение лобовым швом нагружено моментом, напряжения по торцу полосы распределяются подобно тому, как распределяются нормальные напряжения в поперечном сечении балки при изгибе. Переходя к ранее рассмотренному условному расчету лобовых швов по касательным напряжениям, получаем:

(**)

Расчёт таврового сварного соединения

Тавровое соединение. Соединяемые детали в зоне сварных швов перпендикулярны (наиболее частый случай) или наклонны друг к другу. Это соединение выполняют стыковым швом с разделкой кромок или угловыми швами без разделки кромок.

При нагружении изгибающим моментом и силой прочность соединения определяют по формулам:

для стыкового шва

для угловых швов

Если тавровое соединение трубы, нагруженно изгибающим и крутящим моментами, то напряжения в шве от крутящего момента

В этом уравнениипринято, что катет k шва мал в сравнении с d. При этом можно считать, что напряжения распределены равномерно по кольцевой площадке разрушения шва, равной , а средний диаметр этой площадки

.

Напряжения в шве от изгибающего момента:

Здесь учтено, что для такого сечения W в два раза меньше W_p.

Напряжения и в сечении m ‑ m взаимно перпендикулярны. Поэтому суммарное напряжение: .