Сварные и резьбовые соединения и их расчет

δ − толщина соединяемой детали; l – длина сварного шва; [σ]р/ − допускаемое напряжение при растяжении для сварного шва (обычно [σ]р/ = (0,9…1,0) [σ]р , где [σ]р − допускаемое напряжение для материала детали при растяжении).

Рис. 1.6. Схемы нагружения стыковых соединений

Прочность сварного шва, выполненного с помощью контактной сварки, равно прочности металла соединяемых деталей.

Допускаемая растягивающая или сжимающая нагрузка в сварных швах (рис. 1.6, а, б):

11

прямом

Здесьβ − угол, подкоторымвыполненкосойшов(см. рис. 1.6, б).

1.4.2. Нахлесточные соединения

Угловые швы рассчитывают по напряжениям среза по сечению I−I, проходящему через биссектрису прямого угла (см. рис. 1.3). Высоту углового шва h выражают через катет K:

h = K cos 45° ≈ 0,7 K.

Площадь опасного сечения А = 0,7 K l. Напряжения при срезе в опасном сечении, если соединение нагружено растягивающей или сжимающей силой F, определяютсяпо формуле

где τcp/ и [τ]cp/ − расчетное и допускаемое напряжения среза для

шва; l − расчетная длина шва. В соединении лобовыми швами (см. рис. 1.4, а) l = 2lл; в соединении фланговыми швами l = 2 lфл (см. рис. 1.4, б), в соединении и лобовыми, и фланговыми швами l равно периметру швов.

Если нахлесточное соединение нагружено моментом в плоскости стыка (рис. 1.7), то напряжения от момента распределяются

12

по длине шва неравномерно, а их векторы направлены различно. Напряжения пропорциональны плечам е и перпендикулярны им. Вобщем случае максимальные напряжения можно определить по формуле

τср/ = Т ≤ [τ]/ ср ,

Wp

где Wp − полярный момент сопротивления сечения швов в плоскости разрушения.

Рис. 1.7. Соединение, нагруженное моментом в плоскости стыка

При любых схемах нагружения напряжения в сварном шве от действия нескольких силовых факторов (Т, F и т. д.) суммируются геометрически.

13

1.4.3. Тавровые соединения

Эти соединения выполняют либо стыковыми швами с разделкой кромок (рис. 1.8, а), либо угловыми швами без разделки кромок (рис 1.8, б). При нагрузке изгибающим моментом и силой прочность соединения определяют по формулам:

для стыкового шва

для угловых швов

Рис. 1.8. Тавровые соединения стыковым и угловым швами

На рис. 1.9 показано тавровое соединение трубы, нагруженное изгибающим икрутящим моментами.

Рис. 1.9. Тавровое сечение трубы

14

За расчетное сечение по-прежнему принято сечение по биссектрисе mm. Таким образом, опасное сечение представляет собой кольцо с внутренним диаметром d и наружным диамет-

ром D = d + 2·0,7K (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Опасное сечение углового шва

Напряжение в шве от крутящего момента

Напряжение в шве от изгибающего момента

где α = d .

D

Напряжения τT/ и τ/M в сечении mm взаимно перпендикулярны. Поэтому суммарное напряжение

τcp/ = (τT/ )2 + (τ/M )2 ≤ [τ]cp/ .

15

1.4.4. Точечная и шовная контактная сварка

Соединения точечной сваркой (рис. 1.11, а) при действии нагрузки в плоскости стыка рассчитывают на срез.

где d – диаметр сварной точки, обычно принимают d = 1,2δ + 4 мм при δ ≤ 3 мм,

d = 1,5 δ + 5 мм при δ > 3 мм,

Z − число точек; i − число плоскостей среза (при двух свариваемых деталях i = 1, при трех − i = 2).

Рис. 1.11. Соединение точечной (а) и шовной (б) сваркой

16

Параметры шва обычно принимают: шаг t = 3d;

расстояние от кромок t1 = 2d; t2 = 1,5d.

Соединение шовной сваркой показано на рис. 1.11, б. Напряжения среза

1.5. ВЫБОР ДОПУСКАЕМЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

При статической внешней нагрузке допускаемые напряжения в сварных швах, полученных дуговой или контактной сваркой, назначают в зависимости от допускаемого напряжения на растяжение для основного металла [σ]р (табл. 1.1).

Таблица 1 . 1

Допускаемые напряжения для сварных швов при статической нагрузке

Допускаемое напряжение растяжения основного металла

где σпред − предельное напряжение основного металла (для стали σт − предел текучести); [S] − допускаемый запас прочности (для сварных конструкций рекомендуется [S] = 1,4 … 1,6).

17

В табл. 1.2 приведены физико-механические свойства некоторых материалов.

Таблица 1 . 2

Физико-механические свойства некоторых материалов

Допускаемые напряжения при переменной нагрузке

[σ]/R = γ[σ] p/; [τ]/R = γ [τ]/ср,

где γ − коэффициент понижения допускаемых напряжений,

Здесь Kσ − эффективный коэффициент концентрации напряжений; для угловых лобовых швов:

при ручной сварке Kσ = 2,3…3,2;

при автоматической Kσ = 1,7…2,4;

18

для фланговых швов Kσ = 3,5…4,5; для стыковых швов Kσ = 1,2;

а, b − коэффициенты (для углеродистых сталей а = 0,58; b = 0,26; для низколегированных а = 0,65; b = 0,3); R − коэффициент асимметрии цикла,

R = σmin = Fmin ,

σmax Fmax

где σmin и σmax минимальное и максимальное напряжения цикла,

взятые со своими знаками.

Верхние знаки в знаменателе формулы принимают, когда среднее напряжение цикла σm ≥ 0, нижние, − когда σm < 0 ( σm – среднее напряжение цикла).

При большой асимметрии цикла R > 0 коэффициент γ может получиться больше 1. Это указывает на то, что для данного цикла решающее значение имеет не сопротивление усталости, а статическая прочность. Поэтому если при вычислении получают γ > 1, то в расчете принимают γ = 1.

1.6. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Пример 1

Рассчитать сварной металлический кронштейн, представляющий собой стыковое соединение двух труб с наружным диаметром D = 114 мм и находящийся под действием растягивающей нагрузки F = 0,2 МН (рис. 1.12). Материал труб – сталь Ст3.

1. Определим толщину s стенки трубы из расчета на прочность при растяжении, рассматривая трубу как стержень, растягиваемый осевой нагрузкой (расчетная модель). При этом

σp = F / (π Dср s) ≤ σp , откуда s = F / (π Dср σp ).

19