4.5. Критерии работоспособности и расчета валов и осей

Поломки валов и вращающихся осей в большинстве случаях но­сят усталостный характер. Причины поломок:

• неудачный выбор конструктивной формы и неправильная оценка влия­ния концентрации напряжений, вызванной этими формами;

• концентрация напряжений, вызванная обстоятельствами технологи­ческого или эксплуатационного характера: надрезы, следы обработ­ки и др.;

• нарушение норм технической эксплуатации: неправильная регули­ровка затяжки подшипников, уменьшение необходимых зазоров и др. (рис. 23).

Чаще всего поломки валов происходят в зоне расположения таких концентратов напряжений как шпоночные пазы (рис. 22,г), галтели (рис. 22,а), поперечные отверстия (рис. 22,в), галтель (рис. 22,б) и др.

При работе осей и валов на изгиб обеспечение надлежащей жест­кости является важным условием нормальной эксплуатации узла.

Критерием прочности для большинства валов современных быстро­ходных машин является их выносливость. Усталостные разрушения состав­ляют 40 – 50 % случаев выхода валов из строя. Критериями жесткости валов являются условия правильной работы зубчатых передач и под­шипников, а также виброустойчивость.

Таким образом, основными критериями работоспособности осей и валов является их ПРОЧНОСТЬ и ЖЕСТКОСТЬ.

Неподвижные оси, в которых возникают постоянные напряжения, рассчитывают на СТАТИСТИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ.

Тихоходные оси и валы, работающие с перегрузками, должны быть рассчитаны не только на выносливость, но и на статическую прочность.

Чтобы знать предварительные размеры валов, их сначала рассчи­тывают на статическую прочность, а затем на выносливость.

Для некоторых конструкций существенное значение имеет ограни­чение величины деформации КРУЧЕНИЯ валов (трансмиссионные ва­лы механизмов передвижения мостовых кранов, шлицевые валы и т.д.). Расчетом определяем угол закручивания и сравниваем его с . Причиной выхода из строя валов могут быть также их колебания. Поэтому такие валы дополнительно рассчитываются на ВИБРОУСТОЙЧИВОСТЬ (расчеты изложены в специальных курсах).

4.6. Проектный расчет валов и осей

4.6.1. Составление расчетных схем

Проектный расчет валов и осей начинается с установления расчетной схемы и определения внешних нагрузок.

Валы и оси рассматриваются как балки, лежащие на шарнирных опо­рах. Прежде всего должны быть установлены расстояния между опора­ми и места расположения насаживаемых на вал или ось деталей.

Для валов, вращающихся в подшипниках качения, установленных в опорах по одному, центр опорного шарнира совмещается с середи­ной подшипника (рис. 23,а).

Для валов, вращающихся в подшипниках качения, установленных по два в опоре, основные реакции воспринимаются внутренними подшипниками. Поэтому условные опоры валов правильнее совмещать с внутренними подшипниками или располагать на 1/3 расстояния между подшипниками одной опоры ближе к внутренним подшипникам (рис. 22,б).

Для валов, вращающихся в «коротких» подшипниках скольжения (при ) центр условной опоры совмещается с середи­ной подшипника. При «длинных» опорах скольжения ( ) вследствие неравномерности распределения нагрузки по длине втулки скольжения теоретическая опора считается расположенной примерно на расстоянии от края подшипника со стороны наг­руженного пролета (рис. 23,в).

Силы на валы (оси) передаются через насаженные на них дета­ли: шкивы, звездочки, зубчатые колёса, блоки и т.д.

При этом принимают, что насаженные на вал (ось) детали передают силы и моменты валу (оси) на середине длины посадочной повер­хности. Это допустимо, т. к. расчеты дают вполне удовлетворительные результаты в случае, когда пролет вала (расстояние между опорами) значительно превышает ширину насаженной на него детали; в противном случае следует учитывать закономерность распределения нагрузки вдоль посадочной поверхности и совместную работу ступицы детали и вала (оси).

Величина и направление действующих нагрузок определяются характе­ром работы и расположением сидящих на валу или оси деталей.

Фрикционные, прямозубые цилиндрические, ременные и цепные передачи создают усилия, лежащие в плоскости катков, колёс, шкивов, звездочек и приложенные на их начальных окружностях. После приведения этих усилий к оси вала он оказывается нагруженным соответственными поперечными силами и крутящим моментом.

а)

б)

в)

Рис. 23. Расчетные схемы валов

Косозубые цилиндрические, конические, червячные, гипоидные передачи кроме сил, лежащих в плоскостях соответствующих деталей, вы­зывают появление дополнительных осевых усилий, приложенных на зубьях или витках нарезки. Приведение этого усилия к оси вала дает осевую (сжимающую или растягивающую) силу и сосредоточенный изгибающий момент.

Нагрузками от собственного веса вала (оси) и расположенных на нем деталей в проектном расчете обычно пренебрегают, хотя принципиально их учёт и не представляет трудностей.