2768.Несущая способность и расчёт деталей машин на прочность

Примеры расчета

Определим параметры сопротивления резьбы переменным нагрузкам.

Коэффициент концентрации напря­ жений для резьбы Сп27 X 2 с радиу­ сом во впадине г — 0,4 мм принимаем как для дюймовой резьбы: ка — 3,8 (рис. 79 гл. 11). Коэффициент влияния абсолютных размеров еа = 0,7 (рис. 80 гл. 11).

При нарезании резьбы резцом без по­ следующего упрочнения впадины Р= 1.

Тогда ( * c b = i - y “ о Г Т о ” 5-43- Предел выносливости детали

361

IM lW b

’С4

0738

3800

(0- 1 а Ь “ 'Т оЬ ~ 3700

=—— = 682 кгс/см2. 5,4о

Коэффициент чувствительности к асимметрии цикла

Запас прочности по амплитуде

2 ( a - l k ) D - 2 ( % ) D - ” W

2.682 + (l —0,046) 3790

“(1+0,046) (3790 + 224) ” ’ '

Запасы прочности лежат в допусти­ мых пределах, что подтверждается на­ дежной длительной работой рассчитан­ ного болтового соединения.

Расчет стяжных болтов пресса. Исход­ ные данные. Размеры болтового соеди­ нения показаны на рис. 23 и 24. Мате­

KJ

Рис. 23. Эскиз стяж­ ного болта

Расчетная схема соединения пока­ зана на рис. 24. К системе болта от­ носится стяжной болт, к системе про­ кладки — траверсы и стойка.

Схема приложения нагрузок — слу­ чаи 1 (см. рис. 7). Материал станины и траверс — серый чугун марки СЧ 21-40.

Податливость болта

Хб = - £ ? 7 =

= 2 ■10'° 149 = 1-24 ■10_s см/кгс.

Е= 1,2-10° кгс см2.

Податливость нижней траверсы 4

равна податливости траверсы 2

\ 4 = Я2 = 0,049 • 10_6 см/кгс.

Расчет на выносливость. Опасным сечением является сечение по внутрен­ нему диаметру резьбы болта.

Номинальные напряжения от за­ тяжки

от внешней нагрузки

100 000

По диаграмме находим значение пре­ дельных напряжений.

Коэффициент концентрации напря­ жений для стали (ав = 6 0 кгс/мм2) для метрической резьбы Ка = 3,9 (см. рис. 79 гл. 11). Коэффициент влияния абсолютных размеров (см. рис. 80 гл. 11) е0 = 0,4. Конструктивное или технологическое упрочнение в данном случае отсутствует. Тогда

3,9

9,75.

( * . Ь - К “ Г 0,4

Предел выносливости детали

= 195 кгс/см2.

Запас прочности по амплитуде

2 ( ° - l ) p - 2 0 M p g a .,

2-.195

Список литературы

= 2-195 + 800 , 800 + 161

Запасы прочности по максимальным напряжениям пт ах и по амплитуде па недостаточны для ответственного стяж­ ного болта пресса. Для увеличения на­ дежности соединения используем конст­ руктивное упрочнение, применив гайку растяжения. Предел выносливости бол­ тового соединения повысится.

Если применить гайку растяжения, то коэффициент (} = 1,4. Тогда коэф­ фициент концентрации для детали

предел выносливости детали

( ° - I )D =

( * а ) .

1900

6,8 = 280 кгс/см2.

Запас прочности по амплитуде (ibff =

= 0)

2(о ) D 2-280

Па~ свн - 1 б Г - 3,5-

Запас прочности по максимальным напряжениям

усталости можно считать удовлетвори­ тельными.

1. Сопротивление усталости сварных соединений

Пределы выносливости натурных сварных соединений могут быть в 3—8 раз ниже пределов выносливости ос­ новного металла, определенных на стандартных полированных образцах. Эта разница объясняется влиянием ряДа факторов, основные из которых следую­ щие:

1)концентрация напряжений;

2)масштабный фактор;

3)качество обработки поверхности;

4)остаточные напряжения при свар­

ке;

5)дефекты сварки: непровары, хо­

лодные или горячие трещины, поры, шлаковые включения и т. д.;

6)технологические (метод и режимы сварки, применяемые электроды, терми­ ческая обработка после сварки и т. д.);

7)изменение химсостава и структуры

гружения, коррозия, перегрузки и не­ стационарная напряженность, асим­ метрия цикла и т. д.) и поверхностное упрочнение (наклеп поверхности ро­ ликом, дробью, пневматическим мо­ лотком и т. п.). Ниже, на примерах различных сварных соединений, рас­ сматривается влияние перечисленных факторов.

Основной металл. Сварные конструк­ ции из углеродистых и низколегиро­ ванных сталей изготовляют из листов, имеющих прокатную пленку, которая, как правило, не удаляется. Поэтому пределы выносливости сварных соеди­ нений принято сопоставлять с предела­ ми выносливости пластин из основного металла сечением от 14 X 70 мм до 25 X 120 мм, испытываемых на растя­ жение-сжатие или изгиб. Величины

пределов выносливости пластин из угле­ родистых сталей при растяжении-сжа­ тии стЛр в зависимости от предела прочности показаны на рис. 1. На ос­ новании приведенного графика, пост­ роенного по результатам работ |3, 4, 26, 29, 31], можно заключить, что

о_1р = (0,32 ч - 0,38) ав.

Шлифование поверхности образцов из основного металла увеличивает их пре­ дел выносливости на 20—35% (табл. 1).

Таблица I

Влияние качества обработки поверхности на сопротивление усталости образцов, изготовленных из основного металла [II]

Стыковые сварные соединения. Вели­ чины пределов выносливости при сим­ метричном цикле растяжения-сжатия стыковых сварных соединений в зави-

Рис. /. Пределы выносливости пластин с прокатной пленкой из основного металла (углеродистые и низколегированные стал:м при растяжении-сжатии; цикл симметрич­ ный

51_____ 1 ______ ______ ______ ______ ______

6{,кгс/мн

Рис. 2. Пределы выносливости при симме­ тричном цикле растяжения-сжатия свар­ ных соединений встык (углеродистые и ма­ лолегированные стали):

1 — для необработанных швов; 2 — для швов, механически обработанных; 3 — для основного металла (см. рис. 1)

симости от предела прочности углеро­ дистом стали, показаны на рис. 2 [3, 17, 26, 31, 37, 29, 36]. Белые точки (зона 2) соответствуют обработанным швам (утолщение шва снято механиче­ ской обработкой), черные точки (зо­ на 1) — необработанным. Зона 3 соот­ ветствует пластинам из основного ме­ талла с прокатной пленкой (перене­ сена с рис. 1). Различным однотипным точкам соответствуют различные ре­ жимы сварки и разные сварочные ма­ териалы. Пределы выносливости сты­ ковых сварных соединений из углеро­ дистых сталей резко возрастают с вве­ дением механической обработки швов, улучшающей качество поверхности и устраняющей концентрацию напряже­ ний, вызываемую утолщением шва. Это увеличение предела выносливости до­ стигает 30—70% и более. Пределы вы­ носливости обработанных стыковых сое­ динении практически равны пределам выносливости пластин из основного ме­ талла с прокатной пленкой (при сварке без дефектов).

Результаты усталостных испытаний стыковых сварных соединений из низко­ легированной стали марки 15ХСНД представлены в табл. 2. Толщина пластин 6 = 30 мм, коэффициент

мов приводит более, чем к двукратному

металла и стыковых соединений на 30—35% (см. табл. 2). В этом случае разрушение происходит вдали от швов, что говорит о достаточной выносли­ вости металла сварного шва и зоны термического влияния сварки.

Результаты усталостных испытаний пластин толщиной 50 мм и шириной 75 мм нз стали марки 22К на плоский изгиб, сваренных электрошлаковым способом, приведены в табл. 3. Образцы, не подвергавшиеся механи­ ческой обработке (с усилением после сварки), имели предел выносливости 8,5 кгс/мм2, т. е. почти в 2 раза меньше, чем предел выносливости основного металла (за счет влияния концентрации напряжений в месте перехода к свар­ ному шву и плохого качества поверх­ ности). При этом расположение зоны утолщения шва по высоте или г-о ширине образца одинаково влияло на сопротивление усталости. Отпуск и нормализация повышают предел выно­ сливости сварных образцов на 30—35%, хотя механические характеристики при статических нагрузках практически не меняются, так что повышение предела выносливости, по-видимому, связано с уменьшением или исчезновением оста­ точных растягивающих напряжений в результате термической обработки.

Механическая обработка сварных об­ разцов повышает их предел выносли­ вости почти до уровня предела выно­ сливости основного металла.

Чеканка сварных образцов, не пропроходивших ни механическую, ни термическую обработку, более чем в 2 раза повышает их предел выносли­ вости. При этом предшествующая ме­ ханическая обработка не играет роли. Поэтому стыковые соединения, выпол­ ненные электрошлаковой сваркой, при

Таблица 4

Влияние размеров пластин на величину предела выносливости стыковых соединений [17]

* Образцы, помимо стыкового шва, имели продольнонаплавленный валик.

использовании механической обработки или чеканки имеют предел выносли­ вости не ниже предела выносливости основного металла.

Увеличение абсолютных размеров по­ перечного сечения стыковых сварных соединений приводит к весьма сущест­ венному снижению пределов выносли­ вости. В табл. 4 и на рис. 3 и 4 пока­ заны результаты усталостных испыта­ ний пластин различной толщины и ши­ рины, сваренных встык автоматической сваркой под флюсом. Пластины были

Ш и р и н а Ь - г о о м н

Рис. 3. Влияние толщины пластин на вы­ носливость стыковых сварных соединений

Толщина ff= Z6им

Ев 6-1, нес/мм г

Рис. 4. Влияние ширины пластин на вынос­ ливость стыковых сварных соединений [17]:

е< ° - 0 в

а(°— 1)в=85

изготовлены из стали марки М16С (0,16—0,19% С; 0,44—0,53% Мп; 0, IS- О.26% Si; 0,031—0,048% S; 0,013— 0,024% Р; ст„ = 41 -т- 43,5 кгс/мм2; ат = = 23 -и 25 кгс/мм2; яр = 64 -е- 68%). Образцы испытывали на знакоперемен­ ный изгиб при циклах, близких к сим­ метричному; база испытаний N0 — = 2 млн. циклов, утолщение шва не снималось, причем форма перехода шва к основному металлу была прак­ тически одинаковой у всех образцов.

Увеличение толщины пластин от 16 до 46 мм (при ширине 200 мм) приводит к снижению предела выносливости от 9,4 до 6,6 кгс/мм2, т. е. на 32%; увели­ чение ширины от 85 до 200 мм (при толщине 26 мм) приводит к снижению предела выносливости от 7,9 до 6,9 кгс/мм2, т. е. на 13%; дальнейшее увеличение ширины до 300 мм при той же толщине не приводит к снижению пределов выносливости. Поэтому на­ дежные данные о сопротивлении уста­ лости сварных соединений могут быть получены при испытании достаточно

больших элементов шириной не менее 200 мм и толщиной не менее 20—30 мм.

Причины столь существенного сни­ жения пределов выносливости сварных соединений с ростом размеров в основ­ ном те же, что и несварных деталей. Более резкое влияние масштабного фактора.у сварных соединений объяс­ няется повышенной неоднородностью металла сварного шва по сравнению с основным металлом. Существенную роль в проявлении масштабного факто­ ра у сварных соединений играют зна­ чительные растягивающие остаточные напряжения в зоне шва, образующиеся после сварки, которые выше у образцов больших сечений при прочих одинако­ вых условиях.

Соединения с лобовыми швами. Эти соединения обладают очень резкой кон­ центрацией напряжений, вызывающей существенное снижение пределов вы­ носливости. В табл. 5 и на рис. 5 при­ ведены значения пределов выносли­ вости соединений с накладками из стали марки М16С. Там же приведены величины эффективных коэффициентов концентрации, вычисленные как отно­ шение предела выносливости образца из основного металла к пределу вынос­ ливости сварного соединения. При со­ отношении катетов 1 : 1 и отсутствии механической обработки предел вы­ носливости соединения с накладками в 2,5 раза ниже, чем у образца из ос­ новного металла (см. табл. 5).

Введение пологих швов с отношением катетов 1 : 2 и механической обработки снижает Ка до 2,0. При соотношении катетов 1 : 3,8 и механической обра­ ботке шва предел выносливости соеди­ нения с накладками равен пределу вы-

№ образца (см. рис. 5)

/

2

3

4

5

Образец

Из основного металла ..................... .................

Слобовыми швами при соотношении катетов 1 1 То же, при соотношении катетов 1 : ? . .

То же, с дополнительной механической обработкой

Ссоединением встык, усиленным накладками

Слобовыми швами (соотношение катетов 1 ; 3,8)

имеханической обработкой .

Величины пределов

1

2СтЗ

3спокойной

4плавки

15ХСНД

6°в = 572 от =34,1

СХ Л-4

7а в = 56.5 Ог = 43,2

8

У

10 St 37 II

12 Сталь Ов =54

СтЗ

13Ou =43,S

14От = 29,8

15

16

11 СтЗ ов = 44.1

от = 26,7

IS

1У

•Jll

21

полке угольника