книги из ГПНТБ / Сучков, А. Е. Резервы экономии металла в машиностроении

тацпи, по изготовляемые на различных заводах, имеют различие в весе до 15—20%. Исследование фактических деформаций и напряжений в деталях кузовов легковых автомобилей при различных нагрузках, проведенное в Московском научно-исследовательском автомобильном институте, показало, что запас прочности в них завышен в 6—10 раз. Следовательно, назначение обоснованного запаса прочности — один из главных резервов экономии металла. В связи с этим целесообразно перейти от испы­ тания отдельных образцов к широкому эксперименталь­ ному исследованию ответственных деталей, узлов, меха­ низмов и машин в условиях, полностью приближающихся к реальным, разработать новые прогрессивные методы расчета.

Большой экономический эффект достигается за счет снижения веса малонагруженных и ненагруженных дета­ лей, размеры которых определяются техническими расче­ тами. Такие детали имеют очень большие запасы проч­ ности. Правильный подбор размеров, обоснованный вы­ бор допусков и чистоты поверхности значительно влияют на экономию металла.

Снижения веса машин можно достигнуть и за счет применения новых качественных сталей, внедрения более рациональных конструктивных форм деталей, специаль­ ных профилей проката и методов упрочняющей техноло­ гии. Так, замена обычных углеродистых сталей в кон­ струкциях машин низколегированными дает экономию металла от 10 до 30, обычных фасонных профилей про­ ката на полые профили — от 10 до 50% проката. Внедре­ ние облегченных балок и швеллеров позволяет экономить до 20% металла и снижать затраты на изготовление деталей и монтаж узлов на 30%.

Большое внимание прочности металла в режиме его экономии уделяется не только у нас, но и за рубежом, особенно в странах высокоразвитого машиностроения. В качестве одного из показателей экономической эффек­ тивности использования металла в США, например, при­ меняется отношение цены единицы металла к его преде­ лу текучести (цена за 10 кг/мм предела текучести). Цены на углеродистую сталь там на 10—35% ниже, чем на легированную. Поскольку общий вес машин, особенно транспортных средств, в большей степени определяет их эксплуатационные качества и техническое совершенство,

40

то вторым показателем качества выпускаемых в США машин считают отношение прочности к весу.

В нашей практике, цены на металлопродукцию уста­ навливаются без должного учета потребительской стои­ мости металла. При расчетах конструкторы обычно руководствуются свойствами металла, упуская из виду его стоимость. Поэтому нередки случаи завышения веса машин в результате введения излишних запасов прочно­ сти при расчетах, что приводит к нерациональному рас­ ходу металла.

При конструировании деталей и узлов машин на прочность обращают внимание лишь в том случае, когда фактические параметры (нагрузки, сопротивления и дру­ гие факторы) будут отличаться от параметров, принятых

врасчетах. Под прочностью детали понимается ее спо­ собность сопротивляться действию нагрузок, т. е. сопро­ тивляться разрушению. Расчет на прочность заключается

вопределении усилий и напряжений, возникающих в деталях машин, и предельных усилий или напряжений, которые деталь выдерживает при определенных условиях работы.

При расчете детали на прочность выявляются нагруз­

ки, подбирается материал с допускаемым напряжением и на основании этих величин устанавливаются размеры проектируемой детали. Для обеспечения надежности и долговечности машин в работе при расчете деталей уста­ навливается запас прочности, т. е. отношение предельной нагрузки к действующей на эту деталь.

Во многих случаях определить нагрузки, на которые должна быть рассчитана та или иная деталь машины, довольно сложно, так как большинство реальных нагру­ зок представляет собой переменную величину, изменя­ ющуюся в довольно широких пределах. Одним из факто­ ров, влияющих на величину запаса прочности, является возможность перегрузки конструкции. Поэтому чем меньше исследована нагрузка, тем больше вероятность перегрузки.

Экономия металла за счет снижения запасов прочно­ сти зависит от соответствия между действительными и расчетными параметрами. Завышение напряжений при расчете влечет за собой непроизводительные расходы металла. Знание действительного напряженного состоя­ ния конструкции машин и деталей дает конструктору

41

возможность установить их размеры с минимальными запасами прочности и соблюдением рациональных форм сообразно распределенным напряжениям.

В большинстве случаев при расчете деталей на проч­ ность исходят из коэффициентов общего запаса прочно­ сти, не считаясь с влиянием ряда факторов на размеры деталей машин, что вызывает увеличение их веса. А ведь па коэффициент общего запаса прочности существенное влияние оказывают надежность материала, концентра­ ции напряжений, размерные факторы, расположение волокон металла в отдельных элементах детали, остаточ­ ные напряжения и действующие силы.

До настоящего времени основное внимание при расче­ те деталей машин на прочность и жесткость уделяется тем из них, которые не выдерживали расчетных нагрузок. Детали, прочность которых в 2—4 раза превышает расчетные нагрузки, как правило, пересчету не подверга­ ются. Некоторые размеры и конструктивные формы дета­ лей вовсе не рассчитываются на прочность, а выбирают­ ся по конструктивным соображениям и определяются общей компоновкой либо технологическими требовани­ ями, что приводит к завышению их размеров. Большие запасы прочности имеются в литых деталях. Согласно технологическим требованиям, они чрезмерно утяже­ ляются.

Применение приближенных расчетов (по ним невоз­ можно с достоверностью определить напряженное со­ стояние детали) вынуждает прибегать к повышенным запасам прочности и тем самым излишне расходовать металл. При многократных исследованиях эксплуатации сельскохозяйственных машин выявлены завышенные значения расчетных нагрузок для многих типов машин. Излишний запас прочности в них — следствие недоста­ точного изучения условий их использования, свойств материала и методов его обработки. Большинство машин работает в неодинаковых условиях. Это вынуждает рас­ считывать их для наиболее тяжелых режимов.

Повышение жесткости конструкций машин и оборудо­ вания за счет увеличения толщины стенок корпусных деталей и усиления их большим количеством ребер жест­ кости становится все менее эффективным, так как оно приводит к повышению металлоемкости. При непрерыв­ ном расположении перегородок жесткость стенок корпу­

42

са увеличивается незначительно, что не оправдывает до­ полнительного расхода металла и сложности литья.

Врезультате экспериментальных работ и анализа установлена практическая возможность уменьшения тол­ щины стенок корпусных деталей и сокращения ребер жесткости в них на 15—20%. При сопоставлении литых корпусных деталей зарубежных металлорежущих стан­ ков с аналогичными типами деталей отечественного про­ изводства толщина стенок в последних оказалась на 30— 40% больше, чем в зарубежных.

Внастоящее время разработаны точные методы рас­ чета и экспериментальной проверки с помощью тензоме­ трических датчиков, радиоактивных изотопов и других приборов, позволяющих установить действительные размеры напряжений и нагрузок на.деталь.

Метод тензометрирования при экспериментальных исследованиях дает возможность проследить за измене­ ниями и характером распределения напряжений в дета­ лях и узлах во время изготовления их конструктивных форм или при различном сочетании нагрузок и обосно­ вать минимальную металлоемкость конструкции с ис­ ключением возможности поломок и преждевременного износа.

Эффективность метода тензометрирования можно по­ казать на некоторых примерах из опыта лаборатории электронных измерений Белорусского автозавода. На завод однажды поступили рекламации с Раздольского горнохимического и Ингулецкого горнообогатительного комбинатов, свидетельствовавшие о том, что на рамах самосвалов «БелАЗ-540» появились трещины в процес­ се эксплуатации, приводившие машины к выходу из строя. По этим сигналам на комбинаты была направлена бригада тензометристов лаборатории завода. Они выяс­ нили, какие места рамы в процессе эксплуатации под­ вергаются больше всего нагрузке и каковы величины этих нагрузок. На основании полученных данных кон­ структоры завода отказались от увеличения сечения всей рамы, увеличив его лишь в необходимых местах.

При запуске в серийное производство этого автомо­ биля выявились случаи горения фрикционов. С помощью электронных измерений было установлено, что причина выхода из строя фрикционов — их резкое включение. Когда в первоначальную конструкцию были внесены со­

43

оТветствующие изменений, горение фрикционов прекра­ тилось.

Лаборатория электронных измерений большое вни­ мание уделяет таким актуальным вопросам, как иссле­ дование нагрузок в передней оси и напряженности эле­ ментов платформы автомобиля.

Из сказанного видно, что успешное проведение науч­ но-исследовательских работ по различным конструктив­ ным элементам позволит увеличить долговечность и по­ высить надежность автомашин, уменьшить их металло­ емкость и сэкономить для нужд народного хозяйства немало денежных средств.

При проектировании машин их вес можно снизить и за счет приближения конструкции к условиям равного сопротивления действующим усилиям. По условиям равнопрочное™ для получения конструкции наименьше­ го веса все ее элементы должны обладать одинаковым запасом прочности. Несоблюдение этого принципа при­ водит к созданию неравнопрочных и неэкономичных конструкций, в которых будут находиться детали, обла­ дающие избыточной или недостаточной прочностью. Приближение сечений, конфигурации и конструкций не­ которых деталей и узлов к условиям равного сопротив­ ления действующим нагрузкам — эффективное средство снижения веса машин. Неудачный выбор профиля в от­ ношении равнопрочности сечения сказывается в том, что конструкция утяжеляется.

Известно, что несущая способность профиля опреде­ ляется особенностями размещения в нем материала. Поэтому различные профили с одинаковой площадью поперечного сечения могут различаться между собой по прочностным характеристикам. Наиболее прочны при всех видах нагрузок трубчатые заготовки различного се­ чения. В них лучше распределяется материал по про­ филю сечения, чем у швеллера и уголка.

Очень важно, чтобы в машинах была достигнута рав­ нопрочное™ узлов. При исследованиях рам некоторых плугов в полевых условиях, проведенных ВИСХОМ, бы­ ло установлено, что колебание напряжений в их отдель­ ных элементах достигает 500—3600 кг/см. Как видно, прочность рамы в разных сечениях оказалась различна. Рамы плугов, созданные в лаборатории почвообрабаты­ вающих машин этого института из труб прямоугольного

44

сечения с более равномерным распределением напряже­ ния, оказались на 15—20% легче аналогичных, изготов­ ленных из фасонных двутавровых профилей. Следова­ тельно, выявление слабонагруженных мест конструкций и удаление недостаточно используемого материала со­ здают предпосылки к снижению расхода металла на де­ тали и узлы машин. Таким образом, не изменяя проч­ ности в некоторых конструкциях, можно уменьшить геометрические размеры деталей, придавая им рацио­ нальную форму.

Особенно большой экономический эффект может быть получен при пересмотре конструкций типа втулок, крышек, фланцев, муфт, колец. Хотя эти детали по сво­ им размерам сравнительно невелики, но в машинострое­ нии они потребляются в большом количестве. Например, при изменении конструкции круглого фланца корпуса подшипника комбайна «СК-2,6» на заводе «Гомсельмаш» на трехгранную форму сэкономлено 15% металла на этой детали.

Врезультате уменьшения толщины стенок до мини­ мально допустимой величины, создания окон и отвер­ стий в ненагруженных местах деталей, устройства впа­ дин и выемок и образования полостей у литых и штам­ пованных деталей можно получить существенную экономию металла. Путем образования окон и различных вырезок в малонагруженных или ненагруженных местах деталей, изготовляемых штамповкой из листового про­ ката, можно уменьшить их вес до 50% .

Вмашиностроении весьма существенное значение имеет чистота поверхности трущихся деталей. Коэффи­ циент трения у более чистых поверхностей меньше, чем

угрубых, при всех видах трения. Коэффициент опорных поверхностей чистых деталей гораздо выше, чем у гру­ бых. Это дает возможность при прочих равных условиях уменьшить номинальные размеры опорных поверхностей

итем самым сэкономить много металла.

Практика показывает, что детали с высокой чистотой поверхности хорошо прирабатываются в процессе экс­ плуатации. В сопрягаемых грубообработанных поверх­ ностях, наоборот, интенсивно происходит истирание. Де­ тали с более высокой, чистотой поверхности обладают повышенной сопротивляемостью к действию нагрузок, так как на их поверхностях отсутствуют очаги концен­

45

трации напряжения. Недостаточно гладкая поверхность при циклических нагрузках приводит к ее шелушению. Чаще всего это присуще сильнонагруженным деталям.

От степени точности изготовления и чистоты поверх­ ностей деталей зависит их надежность и долговечность. Однако не следует забывать о том, что повышение точ­ ности и чистоты поверхности неизбежно приводит к уве­ личению трудоемкости и себестоимости детали. Несмо­ тря на это, требования точности не должны снижаться там, где это необходимо по условиям работы деталей.

5.Влияние выбора материала на снижение веса машин

Качество конструкционных материалов, применяемых

вмашиностроении, определяется техническими, техноло­ гическими и экономическими характеристиками. К важ­ нейшим техническим характеристикам относятся меха­ нические и физико-химические свойства материала. Они зависят не только от самого материала, но и от темпе­ ратуры и состава окружающей среды.

Механические характеристики оценивают в первую очередь поведение материала под нагрузкой, включают

всебя критические напряжения, деформации, ударную вязкость.

Физико-химические характеристики материалов опре­ деляют их взаимодействие с окружающими средами. Поэтому при выборе конструкционного материала должно исключаться активное воздействие окружающих

жидких и газообразных сред.

К технологическим свойствам в первую очередь отно­ сятся прочность и жесткость, которые играют весьма важную роль при оценке конструкционных материалов. К экономическим факторам при выборе материалов от­ носятся не только стоимость самих материалов, но и стоимость их обработки, а также затраты на эксплуата­ ционное обслуживание машин.

Технический прогресс в машиностроении предъявля­ ет повышенные требования к прокатной металлопродук­ ции не только по качеству, но и по профилям, сечению и размерам. В современном машиностроении применяется значительное количество профилей проката и марок ста­ лей. Например, на изготовление грузового автомобиля

46

потребляется свыше 6 тыс. различных профиле-размеров и марок сталей. Рациональный их выбор позволяет уменьшить габариты, вес машин и оборудования, повы­ сить эксплуатационные качества и снизить себестои­ мость.

При массовом выпуске однотипных машин и обору­ дования в машиностроении в большом количестве при­ меняются детали сложной конфигурации по сечению. Их изготовление литьем, ковкой, штамповкой или реза­ нием ведет к большим отходам металла.

Наиболее перспективным и прогрессивным направ­ лением в снижении веса машин и экономии материалов является использование рациональных профилей и форм поперечных сечений проката. При создании рациональ­ ных профилей стремятся сосредоточить материал детали в тонком периферийном слое и свести к минимуму мате­ риал, расположенный в малонагруженной среде.

Экономичными профилями проката можно назвать такие, которые обеспечивают минимальный расход ме­ талла, уменьшают или вовсе устраняют механическую обработку, снижают трудоемкость при одновременном

холодногнутые профили, изготовляемые из листовой или рулонной стали на профилегибочных станах; профили стальные фасонные высокой прочности, полученные прес­ сованием, волочением или холодной прокаткой; облег­ ченные и фасонные профили; горячекатаные периодиче­ ские профили, сделанные продольной или поперечно­ винтовой прокаткой.

В машиностроительных конструкциях встречаются детали сложные и точные по конфигурации. Их наибо­ лее рационально вырабатывать из экономичных гнутых профилей проката, с минимальными потерями металла. Гнутые профили получают холодной прокаткой на про­ филегибочных станах из листового или ленточного про­ ката любой формы поперечного сечения. Такой способ обеспечивает наивыгоднейшее распределение металла по сечению. Металл при прокатке упрочняется, что по­ вышает предел его текучести в 2—3 раза в сравнении с горячекатаной сталью такой же марки. Холодногнутые профили значительно легче и жестче, чем равнопрочные горячекатаные. Форма таких профилей проката прибли­

47

жается к формам отдельных элементов конструкции ма­ шин, вследствие чего в ряде случаев устраняется после­ дующая механическая обработка и другие технологиче­ ские операции.

При помощи профилирования можно изготовлять фасонные профили различных конфигураций, в том чис­ ле замкнутой и полузамнутой формы, а также профили, которые невозможно' получить методом горячей прокат­ ки. За счет наивыгоднейшего распределения металла по сечению, поверхностного упрочнения и других факторов профилированные листовые детали приобретают повы­ шенную прочность и жесткость, более чистую поверх­ ность. Особенно ценно упрочнение в местах изгиба, так как прочность в этом случае увеличивается на 8—12%.

Применяя одинаковые нагрузки в профилированных деталях, можно уменьшить толщину листа по сравнению с обычной горячей прокаткой на 30—60%, не снижая прочности изделия. Гнутые профили проката с успехом используются как силовые элементы конструкции в ма­ шинах и механизмах. Характерная их особенность та, что форма профилей может быть выбрана в соответст­ вии с напряженным состоянием данных элементов кон­ струкции.

Экономическая эффективность применения некото­ рых гнутых профилей проката в машиностроении дана в табл. 9. Расчетные данные показывают, что внедрение равнобокого швеллера с укороченными полками (ГОСТ 8276—57), изготовленного на профилегибочных станах холодной прокаткой, сокращает расход металла

до 54—74% металла. Замена обычного швеллера и угол­ ка гнутыми профилями с замкнутым контуром экономит до 64% металла.

По данным Украинского научно-исследовательского института металлов, в автомобильной промышленности, тракторном и сельскохозяйственном машиностроении

СССР можно использовать около 400 тыс. т гнутых про­ филей проката. Их экономическая эффективность пока­ зана в табл. 10.

Предварительные расчеты показывают, что уже сей­ час машиностроительные предприятия нашей республи-

48

Т а б л и ц а 9

Экономия металла в результате применения гнутых профилей проката вместо обычных профилей

Ими можно заменить около 20% расходуемого металла. За счет этого расход металла сократится на 50 тыс. т, а

По данным Научно-исследовательского института тракторосельхозмашиностроения, замена гнутых профи­ лей проката вместо горячекатаных и штампованных в производстве сельхозмашин позволит сэкономить от 10 до 30% металла. Использование аналогичных профилей проката при изготовлении картофелеуборочных машин на заводе «Лидсельмаш» дало возможность сберечь 15 т металла в год.