2768.Несущая способность и расчёт деталей машин на прочность

где FCB = 20,76/ф (суммирование про­ изводится по всем фланговым швам); для соединения, показанного на рис. 14:

Рис. 15. Соединение с лобовыми швами

Для комбинированного соединения (рис. 16):

Р = Рт+ Рф = [тсв] 0,7klT+

+[тСв] 2 ■0,7/е/ф=

=[тсв] 0,7ft (/т+ 2/ф) = [тсв] OJkL,

(9.4)

где L — полный периметр швов. Для соединения втавр

щих на растяжение и изгиб (рис. 18),

где JCB — расчетный момент инерции периметров швов для прямоугольного сечения, определяемый по формуле

Л + 2k

Аналогично для других форм попе­ речных сечений.

Допускаемые напряжения для ме­ талла сварных швов устанавливаются в зависимости от допускаемых напря­ жений для основного металла. Согласно техническим условиям на проектирова­ ние мостовых электрических кранов допускаемые напряжения для сталей марки СтЗ и М16С принимаются в зави­ симости от комбинации нагрузок и ре­ жима работы крана (табл. 13) [16].

Значения допускаемых напряжений для сварных швов представлены в табл. 14. В табл. 13 предусмотрены следующие комбинации нагрузок при расчете главных балок мостовых кра­ нов:

комбинация А: расчетная постоян­ ная -J- расчетная подвижная + скру­ чивающая (если таковая учитывает­ ся);

комбинация Б: нагрузка комбина­ ции А + горизонтально-инерционные нагрузки;

комбинация В: постоянные статиче­ ские нагрузки + специальные на­ грузки.

Расчет на прочность при переменных нагрузках. Левый наклонный участок кривой усталости различных типов

сварных соединений удовлетворительно описывается уравнением (3.1)

В работе [17] проанализированы в статистическом аспекте значения абс­ цисс точек переломов кривых устало­ сти N0 различных типов сварных со­ единений (стыковые, нахлесточные, с ребрами жесткости, с пересекающимися швами и т. д.). Получено нормальное распределение величин N() со средним значением N 0 = 2,7 • 10° циклов и стан­ дартным отклонением SNo — 0,7- 10й

циклов. С вероятностью 90% значение Nc = (1,7 ч- 3,8) 10° циклов.

Показатель угла наклона левой ветви кривой усталости определяется по за­ висимости [3]

mI<oD = 12.

В расчете сварных соединений на прочность при переменных нагрузках существенное значение имеет правиль­ ный учет концентрации напряжений и асимметрии цикла.

Диаграммы предельных напряжений при асимметричном цикле в координа-

тах Оглах — от для образцов из основ­ ного металла и различных типов свар­ ных соединений для малоуглеродистой стали приведены на рис. 19—25. Эти диаграммы построены по данным ра­ боты [31] и соответствуют растяжениюсжатию сварных соединений из пла­ стин с достаточно большими размерами поперечного сечения. Линии предель­ ных максимальных напряжений со­ ответствуют заштрихованным поло­ сам, являющимся нижней границей рассеяния результатов испытаний. На рис. 19—25 нанесены линии допускае­ мых напряжений, принятых за основу

для расчета сварных соединений на прочность в ряде стран 115, 16, 22, 23, 31—34, 38].

Основной характеристикой влияния асимметрии цикла на сопротивление усталости является коэффициент фа, определяемый по формуле

(9.10)

Повторяемость значений коэффициен­ тов фа для основного металла и для сварных соединений, подсчитанных по

6MX’

Рис. 19. Диаграмма допускаемых напряжений для основного' металла — типа стали Cm3:

/ — ФРГ 123]; 2 — Апетрия ГЗЗ]; 3 — СССР [15]; 4 —Ulnoii- цария [3SJ; 5 — по данным работы [3lJ; 6 — пределы иыносливости

6та1'*гс/™1

соединений сварных Прочность

О 5 10 15 20 6т, пс/п н*

Рис. 20. Диаграмма допускаемых напряжений для механи­ чески обработанных стыковых соединений из сталей типа

.др и Серенсен 1/213

бтах. кгс1м»г

О 5 10 15 20 6т,"«/мм*

Рис. 21. Диаграмма допускаемых напряжений для необра­ ботанных стыковых еоединений из сталей типа Cm3:

1 — ФРГ [23]; 2 — Австрия [33]; 3 — СССР L15]; 4 — Швей­ цария [38J; 5 — Чехословакия [34]; 6 — Польша [32]; 7 —

ГДР [22]; й — по данным работы [31]; 9 — пределы вынос­

ливости

бтях> кгс/мн1

£

6тах< кгс/ммг

В 5 10 15 20 бт.кгс/ммг

Рие. 23. Диаграмма допускаемых напряжений для пластин с приваренной фасонной деталью без обработка из сталей типа Cm3:

I — Австрия [33]; 2 — ФРГ L23]; 3 — по данным рабо­ ты [31]; 4 — пределы выносливости

соединений сварных Прочность

Рис. 24. Диаграмма допускаемых напряжений для соедине­ ний с фланговыми швама из сталей типа Cm3:

1 — Польша [32J; 2 — ГДР [22]; 3 — ФРГ [23]; 4 — ШвеЛцария [38]; 5 — СССР [15]; б — Австрия [33J; 7 — по дан­ ным работы [31]; 8 — пределы выносливости

этим формулам, и по данным ряда опубликованных работ [3, 7, 17, 25, 26, 29, 31, 36, 37, 40, 41] приведена

втабл. 15.

Втабл. 15 указано число случаев попадания значений фст в указанные интервалы из общего числа проанали­ зированных случаев: 49 для основного металла и соединений с умеренной кон­

центрацией и 16— для соединений с резкой концентрацией напряжений.

Средние значения фст, как следует из табл. 15, равны 0,20 и 0,05, соответ­ ственно.

Как следует из таблицы, имеет место большой разброс значений фа . Этот раз­ брос объясняется трудностью обеспече­ ния точности определения пределов выносливости при растяжении-сжатии из-за возможного эксцентриситета при-

ложения нагрузки, а также вследствие малого количества испытанных образ­ цов. Значения фа > 0,4, которые иног­ да встречались в работах, являются ошибочными, вследствие чего отбро­ шены. Таким образом, для сварных образцов с умеренной концентрацией напряжений (KaD < 2 ) рекомендуется

принимать значения г]>а = 0,2. Для образцов с резкой концентрацией на­ пряжений и значительными остаточ­ ными напряжениями (KaD > 2 ) в рас­

четах можно принять фст = 0,05 (в ра­ боте [17] для этого случая рекомен­ дуется фа = 0).

На рис. 19—25 показано, что значе­ ния допускаемых напряжений, приня­ тые в ряде стран как нормативные, существенно различаются. Это можно объяснить различным подходом копре-

спрокатной пленкой

исварные соединения

сумеренной концентра­ цией напряжений)

> 2

(сварные соединения 11 2 2 - 1 - - -

с резкой концентрацией напряжений)

Таблица 15

Общее число

49

(Ф0 = O’20)

16 ( % = 0,05)

делению действующих нагрузок и на­ пряжений, различием в уровнях запа­ сов прочности, уровнем технологии изготовления и т. д. Как указывалось в гл. 3, при расчетах на усталость по запасам прочности и допускаемым на­ пряжениям нормативные значения по­ следних завися! от метода расчета и должны устанавливаться в каждой отрасли машиностроения на основе расчетов деталей работающих машин и сопоставления результатов расчета с наблюдениями за появлением уста­ лостных повреждений в эксплуатации.

Характерным является метод расче­ та на усталость сварных рам локомо­ тивных тележек, разработанный в ЦНИИ МПС и являющийся норматив­ ным [14]. Согласно^этому методу ко­ эффициент запаса прочности рассчи­ тывается по формуле

где К — суммарный коэффициент, учи­ тывающий влияние различных факто­ ров на сопротивление усталости свар­ ных рам. При этом принимают

где Р/< — эффективный коэффициент концентрации напряжений; Ki — коэф­

фициент неоднородности материала де­ тали; К2 — коэффициент, учитываю­ щий наличие остаточных напряжений в раме; т — коэффициент, учитываю­ щий влияние качества обработки по­ верхности; у — коэффициент, учиты­ вающий влияние абсолютных размеров поперечного сечения; т] — коэффи­ циент, учитывающий влияние техноло­ гических отклонений. В работе [14] даны рекомендации по выбору указан­ ных коэффициентов.

Расчетное значение амплитуды на­ пряжений Од находят по формуле

°a ==CTa -l"3SCTaI

где оа, Saa, — среднее значение и сред­

нее квадратичное отклонение амплиту­ ды напряжений, которые находят в ре­ зультате статистической обработки осциллограмм эксплуатационных на­ пряжений по методу размахов.

Расчеты рам тележек практически всех типов локомотивов, находящихся в эксплуатации, по данной методике по­ казали, что при па > 2 усталостные повреждения не появляются, а при я0 •< 2 появляются при пробегах мень­ ше нормативных. Это позволило уста­ новить нормативное, значение [л^] = 2, которое соответствует описанной мето­ дике определения значений К, оа и других расчетных величин. При изме­

нении методики выбора коэффициентов и расчета может измениться и значе­ ние [па].

Металлоконструкции кранов пред­ лагается рассчитывать на усталость также по формуле (9.11), причем мини­ мально допустимое значение коэффи­ циента запаса прочности [я0] следует принимать меньшим [%] = 1,3 -е- 1,6 [3]. При этом значения К принимают равными Значениям эффективных коэф­ фициентов концентрации напряжений, определяемым по результатам уста­ лостных испытаний [3].

Сварные соединения пролетныхстрое­ ний мостов рассчитывают на усталость по допускаемым напряжениям, назна­ чаемым в зависимости от допускаемых напряжений при статических нагруз­ ках, корректируемых с помощью коэф­ фициентов у, зависящих от коэффи­ циентов концентрации напряжений и асимметрии цикла [15, 16].

Изложенные методы расчета можно назвать детерминистическими, так как в них не учитывается случайный раз­ брос характеристик прочности и нагруженности. Более перспективными являются методы, основанные на ста­

Список литературы

1. Большаков К. П. Расчеты стальных мостов на выносливость. — «Транспортное строительство», 1966',№ 6, с. 44—47.

2. Вибрационная прочность сварных сты­ ковых соединенна из стали НЛ-2. — «Сва­

4. Дучинский Б. Н. Прочность и основа­ ния расчета сварных соединений, работаю­ щих на переменные и знакопеременные усилия. — В кн.: «Вибрационная прочность сварных мостов». М., Трансжелдорнздат, 1952, с. 137—199.

5. Колтунов П. С. Вибрационная проч­ ность сварных соединений из стали марки НЛ-2 (СХЛ-2). В кн.: «Экспериментальные исследования стальных конструкций».

М.— Л., Стройиздат, 1950.

6.Кудрявцев И. В., Саввина Н. М. Ис­ следование усталостной прочности соеди­

нений, выполненных электрошлаковой сваркой на образцах большого сечения. — «Сварочное производство», 1956, № 11,

с.1-6.

7.Кудрявцев И. В. Влияние остаточных напряжений на усталостную прочность сварных изделий. В кн.: Повышение уста­

лостной прочности деталей машин поверх-

13 Серенсеи и др.

тистическом учете рассеяния нагрузок

ипрочности.

Вработе [17] предлагается расчет на усталость производить, исходя из усло­ вия прочности

по повреждающему действию эксплуа­ тационному режиму нагружения, опре­ деляемое на основе линейной гипотезы суммирования повреждений; Rr (y, Р)— расчетное сопротивление усталости сварного соединения, определяемое нижней границей рассеяния предела выносливости с заданной вероятностью неразрушения Р и принятой довери­ тельной вероятностью у (у = 0,9). Ве­ личины Rr (у, Р) находят путем ста­ тистической обработки результатов усталостных испытаний сварных со­ единений [17].

Расчет сварных соединений на уста­ лость при случайном нагружении может производиться вероятностными мето­ дами, изложенными в гл. 6, в которой приведены примеры расчета сварных рам тележек локомотивов и электро­ возов.

постной обработкой. Под ред. С. В. Серенсена, М., Машгнз, 1952, с. 83—99.

8. Кудрявцев И. В., Болабанов Н. А. Усталостная прочность стальных пластин

сприваренными накладками. — «Свароч­

Шишкин В. Ю. Исследование вибрацион­ ной прочности сварных тавровых соедине­ ний. — «Автоматическая сварка», 1958,

№5, с. 32-40.

10.Мюнзе В. X. Усталостная прочность сварных стальных конструкций. М., «.Ма­

шиностроение», 1968, 311 с.

11. Навроцкий Д. И. Прочность свар­ ных соединений. М. —• Л., Машгнз, 1961,

с.176.

12.Николаев Г. А. Расчет сварных сое­ динений и прочность сварных конструк­

ций. М., «Высшая школа», 1965, 451 с.

13. Николаев Г. А., Куркин С. А., Вино­ куров В. А. Расчет, проектирование и из­ готовление сварных конструкций. М., «Вы­

сшая школа», 1971, 760 с.

14. Сварные конструкции локомотивных тележек. Основные положения проектиро­ вания и изготовления. Под ред. К. П. Ко­ ролева. М., «Транспорт», 1971, 72 с.

15. Технические условия проектирова­ ния и изготовления сварных пролетных строений железнодорожных мостов (Тупнм- св-55). М., Трансжелдорнздат, 1956, 130 с.

16.Технические условия на проектиро­ вание мостовых электрических кранов. М., Машгиз, 1960, 90 с.

17.Труфяков В. И. Усталость сварных соединений. Киев, «Наукова Думка», 1973, 215 с.

18.Труфяков В. И. Сопротивление уста­ лости пластин и сварных соединений с раз­ личной концентрацией напряжений. — «Ав­ томатическая сварка», 1969, № 7.

19.Труфяков В. И, Усталость и хрупкое

разрушение сварных соединений. — В кн.: Вопросы механической усталости. М., Машгиз, 1964, с. 46 —56.

20.Труфяков В. И. Сопротивление свар­ ных соединений усталостным разрушениям

сучетом влияния остаточных напряжений. Автореферат диссертации на соискание уче­ ной степени д-ра техн. наук, Киев, Ип-т электросварки АН УССР, 1969, 47 с.

21.Шишкин В. Ю., Новожилова Н. И.

Изучение выносливости сварных соедине­ ний в условиях нормальной и низкой темпе­ ратур. М., Трансжелдориздат, 1953.

22.Deutsche Reichsbahn. DV 849 der Deutschen Reichsbahn Vom 20. 11. 1935, Nachdruck 1956, (Giiltig fur die DDR).

23.Deutsche Bundesbahn DV 848 der Deutsche Bundesbahn Vom 1. 12. 1955 (Giiltig fur die DBR).

24.Folkhardt. Elin-Nachrichten (1948) 6, s, 57. Schweis technik Wien (1948) s. 97.

25.Hanchen. Berechnung und Gestaltung der Maschinenteile auf Dauerhaltbarkeit.

Berlin — Hannover. Padagogisherverlag.

B. Shulz. 1950.

26.Kollmar, Stahlbau (1956) H. 9. S.205.

27.Krilmer, Wendt. Originalbcricht da

Fa. Hein. Lehmann — Co. Dusscldorf, V. 5.

7.1950.

28.Lesnlak. Tagung. f. Konstr. u. Festigk. Halle, 1958.

29.Melhardt. Schweip verbindungen. Wi­ en. Verlag der Gewcrkschaften 1955, S. 109.

30. Melhardt Elin — Nachricnten, 1948,

H.5, S. 34. H. 6. 58, 1948; H. 7 S. 7.

31.Neumann A. Probleme der dauerfe-

stigkeit vom schweis verbindungen. Veb Verlag Techn. Berlin 1960.

32.Normatyw techiczny projektowania

33.О-Norm B4300 3. Teil — Berechnung und Ausfiihrung der Tragwerke. Stahlbau GeschweiOte stahltragwerke 21. 1. 1952.

34.Prof. Faltus. Prirucka Svarovani Bd. 3. Praha 1955.

35.Puchner. Schweiptechnik (1956) H. 4, s. 109.

36.Rieger. Forshungsberichte des sweip

Halle.

37.Ros SchweiO Technik. Wien. 1948.

38.S. 1. A. Nr 161. Normen flir die Berechung und Ausfiihrung von stahlbauten 1951.

39.Stallmeyer. Weld. Journ. N 6, 1956, p 298.

40.Tauscher. Berechnung der Dauerfestigkeit von Bau und Maschinenteilen.