m34700

101

Алгоритмы расчета профильных соединений основаны на определении максимальных напряжений смятия для расчетной модели с допущениями, аналогичными шпоночным соединениям. Сопоставление расчетных напряжений с допускаемыми, выбираемыми из условия отсутствия пластических деформаций на поверхности сопряженных деталей, позволяет оценить работоспособность конструкции или ее параметры в проектировочном расчете.

6.2. Резьбовые соединения

Наиболее распространенными видами разъемных соединений являются соединения элементов конструкций с помощью резьбы.

Многообразие типов резьб и деталей, имеющих резьбу, в том числе стандартных крепежных изделий (болты, винты, шпильки, гайки и др.), предопределило стремление сделать универсальными алгоритмы расчета их работоспособности. В то же время необходимо обеспечивать приемлемую работоспособность соединяемых элементов конструкций, в том числе стыков (стыковых поверхностей).

Основной критерий работоспособности и расчета крепежных резьб – прочность по напряжениям среза витков резьбы, а для стандартных по высоте гаек и нормированных глубин завинчивания, когда обеспечивается условие равнопрочности резьбы и стержня винта, – прочность стержня по напряжениям растяжения. Поэтому наиболее часто расчет проводят по условию прочности по напряжениям растяжения в стержне (болте).

где F – эквивалентная осевая нагрузка болта;

А – площадь осевого сечения болта, оцениваемая приближенно по внутреннему диаметру d1 резьбы.

Таким образом, основной вопрос расчета – установить величину F.

При нагружении только внешней растягивающей силой F1 без предварительной затяжки значение F=F1.

Для болта затянутого, но при отсутствии внешней нагрузки F=1,3Fзат, где Fзат – сила, возникающая от затяжки болта, а коэффи-

102

циент 1,3 учитывает напряжения кручения в стержне от завинчивания с моментом трения в резьбе, зависящего от осевой силы болта.

Наиболее часто встречается случай нагружения резьбового стержня: болт затянут – внешняя нагрузка действует. Здесь F вычисляется решением статически неопределимой задачи с учетом деформаций всех элементов соединения. Если обозначить коэффициент внешней нагрузки, учитывающий приращение нагрузки на болт от внешней силы F1, то

F 1,3Fзат F1 .

зависит только от соотношения податливостей соединяемых деталей и болта. Ориентировочно можно принимать для соединения металлических деталей без прокладок = 0,2…0,3. Для жестких стыков он может уменьшаться до 0,1, а для стыков с податливыми прокладками до 0,4…0,5.

В случае, если возможна дополнительная затяжка при действующей внешней силе (например, болты крышки гидроцилиндра при появлении течи могут быть подтянуты неквалифицированным оператором), логично считать

F 1,3(Fзат F1 ) .

Критерием работоспособности затянутого резьбового соединения, имеющего внешнее нагружение, является условие нераскрытия стыка, то есть отсутствие участков с нулевым давлением на поверхностях сопряженных деталей или их сдвига в плоскости стыка. Величина запаса по нераскрытию стыка определяется точностью расчетов, характером нагрузки и способом контроля силы предварительной затяжки.

Для малопрочных материалов по сравнению с болтом (бетон, дерево и др.) проверяют условие прочности основания по максимальным напряжениям смятия в стыке.

6.3. Сварные соединения

Среди неразъемных соединений сварное (а также заклепочные, клеевые) самое распространенное. Разнообразие видов сварки и сварных конструкций потребовало стандартизации сварных швов.

104

где l = 2lф + lл, а выражение в знаменателе формулы 6.3 – площадь опасного сечения шва.

При нагружении такого соединения только моментом Т касательные напряжения в шве можно вычислить по полярному моменту сопротивления опасного сечения швов Wp.

В приближенных расчетах, используя принцип распределения нагрузки пропорционально прочности отдельных швов, а также принцип независимости действующих нагрузок (принцип суперпозиции при комбинированном нагружении), удается получить приемлемые для практики решения.

Отметим существенное достоинство нахлесточных соединений по технологичности, в сравнении со стыковыми, так как они не требуют предварительной обработки (разделки) кромок.

Тавровые соединения выполняют стыковыми швами с разделкой кромок или угловыми швами без разделки кромок. Суммарные напряжения в сварных швах вычисляют по значениям компонентов напряжений от различных нагрузок с учетом направления их действия.

Соединения контактной сваркой (точечная или шовная) применяются преимущественно для соединения деталей из тонколистового материала. Точечная сварка используется как связующая, не обеспечивающая прочность соединения (крепление обшивки к каркасу и т.п.). При необходимости расчеты на прочность выполняются по аналогии со сварными и заклепочными соединениями.

6.4. Вопросы анализа производственных ситуаций

Примеры вопросов:

1.Как изменится нагрузочная способность специальной стойки, нагруженной продольной осевой силой, если диаметр приваренной к основанию трубы увеличить в 2 раза, а катет сварного шва увеличить с 3 до 6 мм?

2.Как изменится нагрузочная способность сварного соеди-

105

нения специальной стойки при осевом симметричном нагружении, если катет сварного шва увеличить с 3 до 5 мм, а допускаемые напряжения (за счет качества сварки) уменьшить в 1,66 раза?

3.Какие два болта могут заменить без потери нагрузочной способности 4 болта с резьбой М10 крепления специальной стойки при осевом симметричном нагружении?

4.Как изменится нагрузочная способность специальной стойки, нагруженной продольной осевой силой, если заменить болты с резьбой М8 на М10? Болты с резьбой М8 обеспечивают нагрузку стойки 50000 Н.

6.5.Краткое руководство пользователя системами автоматизированного проектирования соединений

Автоматизированный расчет по программам, реализующим алгоритм разработчика, предусматривает ввод исходных данных и вывод на монитор результатов расчетов, которые полностью или частично могут быть распечатаны. Причем для соединений они отличаются разнообразием и соответствующим характером интерфейса.

Анализ результатов расчетов позволяет приблизиться к оптимальному конструктивному решению перебором вариантов по основным геометрическим параметрам, материалам, технологии изготовления и т.п.

При использовании АРМ WinMachine и ее программного модуля WinJoint – подсистемы расчета и проектирования соединений деталей машин и элементов конструкций необходимо учитывать следующее. Подсистема позволяет выполнить комплексный расчет всех типов резьбовых, сварных, заклепочных соединений и соединений деталей вращения.

Расчет шпоночных, шлицевых и профильных соединений выполняется по введенным исходным данным для выбранного типа соединения: вращающий (крутящий) момент; диаметр вала; материал вала, ступицы, шпонки; профиль шлица; характер нагрузки (постоянная, пульсирующая, знакопеременная); дополнительно (при необходимости) допускаемые напряжения.

Расчет возможен только после ввода всех данных. Необходимо указать на соответствующий стандарт (например, России);

106

убедиться в наличии в базе данных стандартных шпонок, шлицевых соединений.

В результатах расчета необходимо обратить внимание на предлагаемую длину шпонки. Скорректировать ее до требуемого значения по длине ступицы и сделать соответствующее заключение. Размеры шпонки зафиксировать в пояснительной записке.

Проектирование резьбовых, сварных и заклепочных соединений имеет много общего и включает в себя следующие действия:

1)задание геометрии соединения;

2)размещение нагрузок, действующих на соединения;

3)ввод исходных данных;

4)выполнение проектировочного расчета;

5)выполнение проверочного расчета;

6)просмотр результатов счета и их запись.

Ввод геометрии соединения осуществляется с помощью специализированного графического редактора, входящего в состав WinJoint. Он включает достаточно широкий набор графических примитивов, позволяющий задать соединения произвольной формы (по очертаниям стыка) с произвольным размещением крепежных элементов. Редактор имеет простой и удобный интерфейс.

Редактор соединений WinJoint имеет рабочее поле редактирования (окно редактирования) с вертикальной и горизонтальной линейками, со шкалами, выполняющими одновременно роль полос прокрутки. Нажимая кнопки на линейках можно просматривать различные участки рабочей плоскости.

Имеется также инструментальная панель, содержащая кнопки для вызова основных команд редактора (горизонтальный ряд), а также для вызова кнопочного меню нижнего уровня (всплывающие вертикальные ряды). Щелчком левой клавиши мыши на соответствующей кнопке вызывается нужная команда.

Информационная панель используется для вывода текущих значений параметров в процессе проектирования стыка соединения, что упрощает процесс рисования.

Пользователь может увеличить размеры рабочего поля за счет удаления с экрана линеек, инструментальной и информационной панелей (команды Линейки, Инструментальная панель, Окно статуса, всплывающего меню Вид), которые можно в лю-

107

бой момент времени снова вернуть на экран. Предусмотрено изменение масштаба изображения, палитры цветов, вывод вспомогательной прямоугольной сетки.

С целью приобретения навыков работы с редактором рекомендуется выполнять основные операции, используя все виды подсказок, в том числе и команду Помощь, а также пиктографические изображения на кнопках. В дальнейшем, по мере накопления опыта, интуитивно понятные действия будут обеспечивать высокую скорость работы.

Общие принципы работы с редактором следующие. Рисование или редактирование какого – либо элемента осуществляется переключением редактора в режим рисования этого элемента путем выбора соответствующей кнопки на инструментальной панели либо команды в меню.

Рисование элемента стыка сводится к заданию точек, определяющих его размеры и положение на плоскости, причем эти точки и порядок их ввода зависят от выбора способа рисования объекта (прямыми, дугами, прямоугольниками, окружностями и т.п.). Нажатие левой клавиши мыши вызывает соответствующую команду, а нажатие правой в большинстве случаев приводит к отмене предыдущей команды. Особенности работы каждой команды приведены в справочнике команд (Помощь).

Редактирование в системе WinJoint включает в себя изменение параметров элементов соединения, а также их удаление. Выбор редактируемого элемента (выделяется цветом после нажатия левой клавиши мыши при подводе к нему курсора), параметров для редактирования, установка требуемых размеров и их подтверждение осуществляются соответствующим перемещением курсора.

Поверхность стыка должна быть графически задана для расчета резьбовых, заклепочных и стыковых сварных соединений. Поверхность стыка необходимой формы и размеров определяется внешним и внутренним контурами, построенными с помощью команд меню Построение отрезков и дуг. Соответствующими командами внешний контур отображается толстой линией синего цвета, а внутренний – красного. Область, ограниченная внешним контуром, включается в поверхность стыка, а внутренним исклю-

108

чается из поверхности. Поверхность стыка может быть «закрашена» белым цветом.

Нагрузки, действующие на соединения, делятся на нормальные к плоскости соединения и касательные к ней. Касательные силы могут быть приложены как в плоскости соединения, так и на определенном расстоянии от нее (по оси z). Положение точек приложения сил относительно стыка не ограничивается. При выполнении проектировочного расчета задаются номинальные значения нагрузок, а при проверочном расчете можно указать пределы изменения переменных нагрузок.

Для выполнения расчета необходимо задать характеристики материалов – предел прочности, предел текучести, коэффициент трения, а также значения коэффициентов запаса. В меню команды Расчет выбрать Тип проектировочного или проверочного расчета. При проведении проверочного расчета пользователь может изменить некоторые параметры. По команде Расчет Расчет ! в главном меню выполняются вычисления, по завершении которых появляется окно с сообщением.

Просмотр результатов проводится командой Результаты главного меню.

Для резьбовых соединений включаются геометрические параметры соединения и нагрузки, действующие на болты и на плоскость стыка (картина изменения напряжений). При проверочном расчете задаются переменные внешние нагрузки; можно изменить диаметры болтов с помощью команды Данные Дополнительный параметр.

Заклепочные соединения проектируются аналогично болтовым, поставленным без зазора. Внешние нагрузки могут действовать только в плоскости стыка, так как заклепки по программе рассчитываются только на срез. Рассчитанный диаметр заклепки принимается как минимально допустимый.

Тавровые и нахлесточные сварные соединения задаются отрезками, дугами и окружностями, изображающими их очертания по форме и размерам. В результате расчета вычисляется минимальное значение катета шва и распределение напряжений по его длине, а также другие параметры соединения. В проверочном расчете задаются переменные внешние нагрузки, катет сварного шва и эффективный коэффициент концентрации напряжений, принимаемый 2,0…3,5 для низкоуглеродистых сталей и 2,0…4,5

109

для низколегированных (большие значения для фланговых швов), с помощью меню Данные Дополнительные параметры.

Стыковые сварные соединения проектируются изображением геометрии стыка свариваемых деталей и вводом нагрузок точно так же, как и для резьбовых. При проверочном расчете необходимо ввести переменные внешние нагрузки, а также эффективный коэффициент концентрации напряжений, принимаемый для низкоуглеродистых сталей не менее 1,2 и низколегированных не менее 1,4, с помощью команды меню Данные Дополнительные параметры.

Соединения точечной сваркой проектируются размещением точек на стыке свариваемых деталей, используя команду Данные Точки, и нагрузок, действующих только в плоскости стыка. При проверочном расчете необходимо задать переменные внешние нагрузки. Также можно задать диаметр точки и эффективный коэффициент концентрации напряжений (для стали 10 принимается 7,5, стали 30ХГСА – 12, для связующих швов – 1,4) командой

меню Данные Дополнительные параметры.

110

Глава 7. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ТЕХНИЧЕСКОГО АНАЛИЗА В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

Теоретические разработки и практика работы высшей школы позволили сформулировать структуру и организационнометодические формы учебного процесса. Ведущая роль лекций, учебников и учебных пособий подкрепляется комплексом лабораторно – практических занятий, учебных расчетно-графических работ и курсовых проектов. Контроль и самоконтроль знаний предусматривает использование тестовых заданий.

7.1. Виртуальная лабораторная работа

В системе дистанционного обучения используются виртуальные лабораторные работы, концепция которых по курсу деталей машин реализована в специальном комплексе. Комплекс виртуальных лабораторных работ включает в себя основные разделы курса и базируется на инструментально – экспертной системе АРМ WinMachine. Возможно выполнение лабораторных работ на реальной установке по дистанционному заказу обучаемого.

Основные идеи комплекса показаны в содержании и форме лабораторной работы по исследованию работоспособности вала.

Виртуальная лабораторная работа ДМ1

Исследование зависимости выносливости вала от способа соединения со ступицей

1. Актуальность темы.

Выносливость вала зависит от его геометрических форм и размеров, материала, вида нагрузок и их характера, технологии изготовления. Вращающиеся детали соединяются с валом чаще