1427 / MU_po_KP

для однорядных роликовых конических подшипников:

Если в двухрядных радиально-упорных подшипниках работают оба ряда тел качения, то считают, что радиальная реакция приложена посередине подшипника. Если же работает только один ряд, то радиальные реакции, как и для однорядных подшипников, смещаются на расстояние:

Величины В, d, Т, a, e выбирают из таблиц приложения или из каталога подшипников.

Подшипники, воспринимающие нагрузку в неподвижном состоянии или

при n < 1 об/мин, подбирают по статической грузоподъёмности Со и по эквивалентной статической нагрузке Ро так, чтобы Ро < Со. Для радиальных и ради-

112

Таблица 7.7.5

Ориентировочные рекомендации по выбору подшипников

Примечание. При Fa < 0,35 применяют однорядные радиальные шариковые

Fr

подшипники. Допустимо использование особо лёгкой и сверхлёгкой серий. При весьма высоких скоростях лёгкая серия предпочтительнее. Для высоких скоростей подшипник с данным углом контакта непригоден.

и для одного двухрядного. Для двух и более оди наковых однорядных радиально-упорных шарикоподшипников, установленных последовательно (по схеме «тандем»), следует применять те же значения коэффиц иентов X0, Y0, что и для одного такого же подшипника.

Подбор подшипников шариковых и радиальных с цилиндрическими роликами при действии на них только радиальных нагрузок ведут в таком порядке:

113

а) выполняют эскизную компоновку узла и приблизительно намечают расстояние между подшипниками;

б) определяют реакции опор; в) определяют эквивалентные нагрузки подшипников;

г) задавшись долговечностью Lh , наиболее нагруженного под-

шипника, вычисляют по формуле (7.2) требуемую динамическую грузоподъёмность его С;

д) подбирают по диаметру посадочного места номер подшипника, начиная с лёгких серий, находят его динамическую грузоподъёмность и проверяют выполнение условия С < [С], где [С] – значение динамической грузоподъёмности по табл. приложения или по каталогу. Если это условие не выполнено, то переходят от лёгкой серии к средней или тяжёлой (при том же диаметре цапфы d).

Если подшипник по своим габаритам применить в данном узле нет возможности, то следует перейти к другому типу подшипника, например, от шариковых к роликовым, или к другой схеме расположения их на валу. При осложнениях в выборе радиально-упорных подшипников (при наличии больших осевых нагрузок и др.) рекомендуется переходить на подшипники с большим углом контакта а (26– 36°). В некоторых случаях может оказаться, что все эти меры не дадут желаемого эффекта, тогда следует увеличить диаметр посадочного места и проверить подшипник большего номера.

Если [С] значительно выше С даже при применении подшипника легкой серии (что часто имеет место для тихоходных валов редукторов с цилиндрическими прямозубыми колёсами и для валов колёс червячных редукторов), то диаметр цапфы вала уменьшать ни в коем случае не следует, так как он определён из расчёта на прочность; расчётная долговечность подшипника будет намного больше регламентированной.

Выбор радиально-упорных шариковых и конических роликовых подшипников ведут в другой последовательности:

а) учитывая условия эксплуатации, конструкцию узла, диаметр цапфы, намечают типоразмер подшипника;

б) выполняют эскизную компоновку узла, определяют точки приложения радиальных реакций (размер а, который зависит от е);

в) определяют суммарные реакции опор;

г) вычисляют эквивалентные нагрузки подшипников (коэффициенты X и У зависят от величины е, для нахождения которой необходимо знать типоразмер подшипника);

д) по таблицам приложения или по каталогу определяют динамическую грузоподъёмность намеченного подшипника;

е) по эквивалентной нагрузке и динамической грузоподъёмности вычисляют теоретическую долговечность подшипника, которая не должна быть меньше требуемой; если это условие не обеспечивается, то выбирают подшипники других серий и типов, увеличивают диаметр цапфы вала.

114

8. Конструирование и расчёт сварных металлоконструкций

Подавляющее большинство механизмов технологических машин монтируются на станины, рамы или стойки, которые в ремонтном или мелкосерийном производстве изготавливаются из металлоконструкций. Крупногабаритные детали также в большинстве случаев изготавливаются из металлопроката, сваренного в единую конструкцию. В современных условиях ремонтного производства это самый экономичный способ получения указанных изделий. В данном разделе приведены в кратком изложении необходимые данные для конструирования простых металлоконструкций и инженерные методы прочностных расчётов.

Хорошо свариваются низкоуглеродистые стали (<0,25%С), низколегированные стали с низким содержанием углерода и никелевые стали. Сварка высокоуглеродистых, средне - и высоколегированных сталей представляет известные технологические трудности.

Прочность сварных швов в большинстве случаев ниже прочностицелого материала вследствие литой структуры шва с характерными для литого металла дендритными и столбчатыми кристаллитами. В то же время, современные способы и технология сварки позволяют получить прочность сварного шва лучшую, чем основной металл изделия. В смежных со сварным швом участках материала, в зоне термического влияния сварки,образуется крупнокристаллическая структура и это, как правило, наиболее опасный участок сварного соединения. Снижение прочности невелико в изделиях изнизкоуглеродистых сталей (пластичность которых предотвращает появление внутренних напряжений) и не имеет большого значения в конструкциях, работающих при статической нагрузке и умеренных напряжениях, но ощутимо в циклически нагруженных конструкциях, особенно из высокопрочных сталей, чувствительных к концентрации напряжений.

В сварном шве и околошовной зоне возникают внутренние напряжения, обусловленные усадкой материала при остывании и вызывающие коробление изделия. Сварка вызывает поводку изделий, тем более сильную, чем больше зона термического влияния сварки (газовая сварка) и чем больше протяженность и сечение швов. Поводку предотвращают сваркой изделий в жестких приспособлениях особыми приемами наложения шва (прерывистые, многослойные, многопроходные швы, ступенчатая, обратноступенчатая сварка). Значительно уменьшает поводку стабилизирующая термообработка после сварки (низкий от-

жиг при 600…650 °С).

Оптимальной сварной металлоконструкцией будет изделие, в котором сварные швы не несут основную нагрузку, а служат соединительными малонагруженными элементами.

8.1. Правила конструирования сварных металлоконструкций.

115

Металлоконструкции разделяются: на полностью сварные, сварнолитые и сварно-кованые, но подход к рациональному решению сварных узлов практически одинаков.

-приступая к проектированию следует убедиться, что металлоконструкция будет дешевле чем литая или кованая.

-в качестве несущих элементов желательно выбирать стандартные профили металлопроката.

-материал металлопроката по возможности принимать из малоуглеродистых и низколегированных сталей.

-швы сварных соединений следует закладывать так, чтобы их можно было выполнить с применением автоматической или полуавтоматической сварки в среде углекислого газа.

-по возможности избегать потолочных и вертикальных швов.

-следует учитывать неизбежные остаточные деформации при сварке конструкции и сразу предусматривать последовательность сборки под сварку.

-по возможности избегать резкого перепада толщин свариваемых элементов, а если это невозможно, то силовые швы выполнять между элементами одинаковой толщины. Швы на тонких элементах не должны быть несущими, лишь скрепляющими основную конструкцию.

-в конструкциях, которые работают при переменных напряжениях и ударах, по возможности разгружать сварных швы путем соединения элементов «в замок» или установкой несущих штифтов. Идеальная металлоконструкция с точки зрения прочности – когда при расчёте на усталостную прочность сварные швы в расчёте не участвуют.

-из силовых швов самым экономичным является стыковой. Во всех остальных швах, как правило, действуют изгибающие моменты и в расчёте неизбежно участвуют касательные напряжения, а их допускаемое значение значительно

ниже чем при нормальных напряжениях [[τ] ≈0.6..0.7[σ]].

-величина катета сварного шва к ≤1,2s от толщины свариваемого металла.

-длина катета сварного шва во фланговых швах и нахлёсточных соединениях к ≤ 50lшва длины шва.

-металлоконструкции и сварные швы лучше работают на сжатие, чем на

растяжение.

-в соединительных элементах лучше применять гнутые конструкции, а не сварные.

-ко всем свариваемым элементам должен быть свободный доступ для выполнения сварочных работ.

-сваренная металлоконструкция должна иметь захватные части для кантования и крепления в процессе сварки и надёжной строповки для последующего транспортирования.

По завершении разработки следует оценить выполненный чертёж с точки зрения сварщика, который будет выполнять указанные требования и произвести функционально-стоимостный анализ разработки. Как правило, сам ав-

116

тор найдёт лишние швы и явно нерациональные элементы. Всё что разработа-

ли ВЫ или другие разработчики – ещё далеко от совершенства.

Прочность сварных соединений повышаютконструктивными (рациональное расположение швов относительно действующих сил, целесообразная форма швов) и технологическими (защита шва от вредных воздействий при сварке, термическая обработка, упрочняющая обработка холодной пластической деформацией) приемами. Конструктивные приемы повышения прочности приведены на рис. 8.1.1.

На видах 1-3 показано последовательное усиление узла приварки фланца, нагруженного крутящим моментом, путем увеличения диаметра кольцевого шва. Сопротивление сдвигу (пропорциональное квадрату диаметра соединения) в конструкции 2 при одинаковом сечении шва в 7 раз, а в конструкции 3 в 18 раз больше, чем в конструкции 1.

При правильной конструкции шва дополнительные крепления [на резьбе (вид 4), посадках с натягом (вид 5) и др.] излишни. В центрирующих соединениях свариваемые детали устанавливают на посадках с зазором f8, f9, e8, e9, d9, d10 При необходимости более точного центрирования применяют h8, h9 и переходные к7, к8.

Целесообразно разгружать сварные швы, перенося восприятие нагрузок на участки целого материала и оставляя за сварными шва ми только функцию соединения деталей. Некоторые примеры разгрузки сварных швов показаны на видах, 6, 7 (стержень, нагруженный осевой силой) и на видах 8, 9 (упорный фланец).

В узле крепления крышки к обечайке цилиндрическогорезервуара, нагруженного внутренним давлением (вид 10), сварные швы крышки и обечайки подвергаются изгибу и сдвигу силами давления. В улучшенной конструкции 11 сварной шов обечайки разгружен заведением обечайки во фланец, а шов днища– зажатиемднища между фланцами обечайки и днища.

Силовые швы следует нагружать предпочтительно на сдвиг и растяжение, устраняя изгиб. Конструкция 12 приварного стержня нагруженного поперечной силой Р, нецелесообразна. Сила Р, повертывая стержень вокруг точки О, вызывает высокие напряжения растяжения в области, противоположной этой точке. Кроме того, шов подвергается сдвигу.

Несколько лучше конструкция 13, где стержень центрирован в гнезде детали, благодаря чему шов разгружен от сдвига. Однако опасное сечение стержня ослаблено сварным швом.

В конструкции14 изгиб и срез силой Р воспринимают целые, не ослабленные сваркой сечения стержня. Шов практически разгружен от действия силы и служит только для фиксациистержня в детали.

Шов приварной стенки (вид15), изгибаемой силой Р, целесообразно разгрузить введением ребра (вид 16). Изгиб стыкового шва (вид 17) можно устранить введением накладки (вид 18), швы которой работают преимущественно на растяжение. Стыковой шов в этой конструкции работает на сжатие.

117

лагать так, чтобы они работали не на растяжение (вид 24), а на сжатие (вид 25), что практически полностью разгружает сварные швы.

На видах 26...29 показано последовательное усиление листового соединения, нагруженного растягивающей силой Р и изгибающим моментом Мизг. Приварные листы, накладки, косынки и т. д. большой протяженности и малой толщины целесообразно, помимо обварки по контуру, соединять с основной деталью точечной сваркой (вид 30) во избежание отставания листов при деформациях системы. Косые швы соединения внахлестку (вид31), подвергающиеся растяжению, испытывают дополнительные нагрузки от сдвига вдоль линии шва. В уравновешенном соединении с двусторонним скосом (вид32) швы разгружены от сдвига.

На видах 33…36 показаны конструкции узла сварки швеллеров. В соединении со швеллером, расположенным полками вверх (вид 33), верхние участки т вертикальных сварных швовподвергаются высоким напряжениям растяжения от действия силы Р. В конструкции со швеллером, расположенным полками вниз (вид 34), силу воспринимает горизонтальный шов п большой протяженности; слабые конечные участки вертикальных швов испытывают сжатие. В конструкции с присоединением швеллера в шип (вид 35) сварные швы разгружены от изгиба силой Р; изгибающий момент воспринимают фланговые швы и поперечный шов t, испытывающий сдвиг. На виде 36 изображено соединение, усиленное косынкой.

Следует избегать внецентренного приложения сил, вызывающего изгиб шва. Отбортованные швы в узлах, подвергающихся растяжению (вид 37), испытывают изгиб. Целесообразнее конструкции со стыковым швом (вид 38). В узле приварки днища к цилиндрическому резервуару с отбортовкой (вид 39) сварной шов под действием внутреннего давления подвергается изгибу. Стыковой шов (вид 40) испытывает преимущественно растяжение.

Следует избегать расположения сварных швов в зоне высоких напряжений. В сварных балках, подвергающихся изгибу, целесообразно располагать швы не у полок (вид 41), а у нейтральной линии сечения (вид 42), где нормальные напряжения имеют наименьшую величину.

В соединениях, подверженных действию циклических и динамических нагрузок, следует избегать расположения сварных швов на участках концентрации напряжений, например в переходах от одного сечения к другому (вид 43). Шов в этих условиях подвергается повышенным напряжениям. Кроме того, повышается концентрация напряжений вследствие неоднородности структуры шва. Улучшенная конструкция приведена на виде 44. Если вывести шов за пределы участка концентрации напряжений невозможно, то рекомендуется применять вогнутые швы (вид 45) с глубоким проплавлением, достигаемым сваркой короткой дугой. Профиль шва должен быть по возможности симметричен относительно действия нагрузок. В тавровых соединениях, подвергающихся растяжению (вид 46), целесообразно применять двусторонние швы (вид47). Соединения внахлестку (вид 48) следует по возможности заменять стыковыми (вид49). В стыковых соединениях целесообразно применять двустороннюю разделку кромок (вид 51), так

119

как в соединениях с несимметричным швом (вид50) происходит искривление силового потока, сопровождающееся концентрацией напряжений.

Сопротивление усталости сварных швов можно значительно повысить механической обработкой с приданием шву рациональной формы, уменьшающей концентрацию напряжений.

Угловые швы целесообразно обрабатывать по радиусу с плавным переходом к поверхности соединяемых деталей (вид52). Стыковые швы обрабатывают заподлицо с поверхностью изделия, удаляя наплывы (усиления) как со стороны основного шва, так и со стороны подварки (вид 53). Для плавного соединения шва со стенками изделия в большинстве случаев необходимо одновременно с обработкой шва подрезать стенки (штриховые линии на видах52, 53), для чего следует предусмотреть припуски с на обработку.

Значительно (на 30…40%) повышает циклическую прочность заглаживающее оплавление швов вольфрамовым электродом в атмосфере аргона.

Упрочнение швов пластической деформацией в холодном состоянии (накатывание, дробеструйный наклеп, чеканка пневматическим инструментом с пучковыми чеканами) позволяет довести сопротивление усталости шва до прочности основного металла.

Сварка труб. Трубы одинакового диаметра чаще всего сваривают валиковым стыковым швом без разделки кромок (рис. 8.1.2, вид 1), а при бол ьшой толщине (s > 8 мм) стенок – с разделкой (вид 2).

Стыковое соединение контактной сваркой (вид 3) отличается высокой прочностью, однако выполнять его в монтажных условиях трудно.

Соединение косым стыком (вид 4) нетехнологично и не увеличивает прочность соединения. Для повышения изгибной прочности трубы на участке стыка развальцовывают на конус (вид 5) или на раструб (вид 6). С этой же целью применяют соединение с обжатием (вид 7) или с развальцовкой (вид 8) одной из труб. Последний способ предпочтительнее, так как развальцовывать трубы проще, чем обжимать.

На виде 9 показано соединение, усиленное наружной муфтой. Внутренние муфты (вид 10) уменьшают сечением труб, вследствие чего этот способ соединения нежелателен для трубопроводов; его применяют преимущественно для силовых конструкций.

В силовых конструкциях применяют прочное и жесткое соединение на диафрагмах (вид 11).

Усиление стыка ребрами (вид 12) ухудшает внешний вид конструкции и уступает по прочности другим соединениям. Соединение с врезными ребрами (вид 13) прочнее, но трудоемко в изготовлении.

На видах 14...16 показаны способы соединения труб различного диаметра при небольшой разнице диаметров. При значительной разнице диаметров вводят промежуточные вставки (вид 17). Конические вставки (вид 18) обладают высокой жесткостью и допускают соединение труб с большей разностью диаметров.

120