Проектирование строительных и дорожных машин

Криволинейные стенки. Если пластинка свободно деформируется под действием перепада температур, то термические напряжения уменьшаются и при известных условиях могут практически исчезнуть; если пластинка достаточно тонка, сделана из материала с малым модулем упругости, она может изогнуться настолько, что наружные волокна ее удлинятся, а внутренние укоротятся на вели-

чину t1 t2 . Пластинка при этом изгибается по сферической по-

верхности. Если свободный изгиб возможен только в одном направлении, то пластинка изгибается по цилиндру.

Полые цилиндрические детали. На практике встречаются слу-

чаи, когда при перепаде температур форма детали в силу ее конфигурации не меняется или меняется незначительно. Типичным примером является цилиндрическая труба большой длины. При одностороннем нагреве, например изнутри, труба, расширяясь в радиальном и осевом направлениях, сохраняет в целом цилиндрическую форму. Внутренние, наиболее нагретые слои стенки при этом испытывают напряжения сжатия, а наружные, более холодные – напряжения растяжения. Напряжения падают только на свободном торце трубы, где сдерживающее влияние кольцевых сечений ослабевает, вследствие чего труба воронкообразно расширяется. При нагреве снаружи картина обратная: наружные, более горячие слои подвергаются сжатию, внутренние – растяжению; свободные торцы трубы сходятся к центру. Если необходимо сохранить правильную цилиндрическую форму, то следует вводить на торцах кольцевые ребра жесткости.

Сложение тепловых и рабочих напряжений. Обычно термиче-

ские напряжения сочетаются с напряжениями от внешних нагрузок. Сочетание может быть благоприятным, если сложение термических и рабочих напряжений уменьшает результирующие напряжения, и неблагоприятным, если оно увеличивает последние. Это зависит от соотношения термических и рабочих напряжений и закономерности их изменения поперек стенки.

Уменьшение тепловых напряжений. Способы снижения теп-

ловых напряжений, вызываемых торможением формы, заключаются прежде всего в устранении первопричины – неравномерности температурного поля по сечению детали. Иногда этого удается достичь рациональным охлаждением детали.

120

Если перепад температур неустраним по функциональному назначению детали (трубы теплообменных аппаратов), то выгодно применять материалы с благоприятным сочетанием прочности, теплопроводности и теплового расширения. Например, трубы из ситаллов с нулевым коэффициентом линейного расширения совершенно не подвержены термическим напряжениям.

Термические напряжения можно снизить введением тепловых буферов, т. е. увеличением податливости участков детали с температурой, отличающейся от температуры смежных участков.

Температурные швы. В некоторых случаях удается без ущерба для функционального назначения детали полностью или почти полностью устранить торможение формы как первоисточника термических напряжений. Примером могут служить температурные швы – радиальные прорези, проделываемые в кольцевых охлаждающих ребрах (рис. 6.4, а). Во избежание нарушения правильной цилиндрической формы прорези располагают в шахматном порядке или по спирали (рис. 6.4, б и в).

Рис. 6.4. Температурные швы

Температурные швы незначительно ухудшают теплорассеивание ребер. Если прорези расположить настолько часто, чтобы кольцевые ребра превратить в отдельные столбики (рис. 6.4, г) (игольчатая поверхность охлаждения), то оребрение будет совершенно свободным от термических напряжений. Потеря охлаждающей поверхности на участках расположения вырезов компенсируется образованием новых охлаждающих поверхностей на торцах вырезов. Компенсация может быть полной, если ширина прорезей равна толщине ребра. Кроме того, теплорассеивание улучшается вследствие повышения турбулентности воздушного потока в ребрах. Масса оребрения зна-

121

чительно меньше, чем при кольцевых ребрах (приблизительно вдвое, если ширина прорезей равна ширине охлаждающих игл).

6.2.Тепловые деформации

Вузлах, состоящих из деталей, имеющих различную рабочую температуру или изготовленных из материалов с разными коэффициентами линейного расширения, тепловые деформации могут существенно влиять на взаимное расположение деталей. В частности, при нагреве в соединениях возникают термические зазоры или натяги, которые необходимо учитывать при назначении сборочных (холодных) зазоров.

Расположение фиксирующих баз. Фиксирующие базы следует выбирать с таким расчетом, чтобы при всех возможных температурных изменениях размеров системы точность расположения деталей не нарушалась или нарушалась бы в наименьшей мере.

Вузле конической передачи, установленной в корпусе из легкого сплава (рис. 6.5, а), фиксирующий подшипник 1 расположен на значительном расстоянии L от центра зацепления зубчатых колес. Удлинение корпуса при нагреве вызывает смещение малого колеса передачи в направлении, указанном стрелкой. Большое колесо перемещается в том же направлении, но на меньшую величину (вследствие меньшего значения коэффициента линейного расширения стального вала). В результате зазор в зацеплении уменьшается. При известных соотношениях зубчатые колеса могут начать работать враспор.

Рис. 6.5. Фиксация вала конической передачи

В правильной конструкции (рис. 6.5, б) фиксирующим является задний подшипник 2, расположенный на сравнительно малом рас-

122

стоянии l от центра зацепления. Смещения колес относительно друг друга при нагреве здесь гораздо меньше; кроме того, зазор в зацеплении с нагревом увеличивается, а не уменьшается, как в предыдущем случае.

Обеспечение свободы температурным перемещениям. Следует избегать осевой фиксации деталей в двух точках. При наличии температурных деформаций в случае такой фиксации могут появиться термические напряжения, вызванные торможением смежности.

Примером ошибочной установки является фиксация вала в двух подшипниках качения одновременно (рис. 6.6, а). Если корпус подшипников выполнен из материала с иным коэффициентом линейного расширения, чем вал, а также если вал и корпус имеют различные рабочие температуры, то в узле возникает зазор или натяг. Последний может привести к защемлению подшипников. Неизбежные погрешности выполнения осевых размеров соединения, в свою очередь, могут вызвать появление зазоров или натягов. Вал следует фиксировать в одном подшипнике (рис. 6.6, б). Второй подшипник должен быть плавающим, т. е. иметь свободу перемещения в осевом направлении.

Рис. 6.6. Фиксация подшипников качения

В соединениях трубопроводов, несущих горячие жидкости или газы, необходимо предусматривать компенсаторы тепловых расширений, предотвращающие возникновение термических сил и деформацию трубопроводов.

123

7.Конструирование узлов и деталей

7.1.Унификация конструктивных элементов

Элементы, выявляющиеся в процессе компонования, следует многократно использовать для всей конструкции, осредняя расчетные параметры и добиваясь максимального сокращения их номенклатуры.

Унификации в первую очередь подлежат посадочные соединения (по номинальным размерам, типу посадок и квалитету), резьбы (по диаметру, шагу и квалитету), шлицевые и шпоночные соединения, крепежные детали и т. д. Целесообразно сокращать номенклатуру материалов, виды отделочных операций, гальванических покрытий, типы сварки, форму сварных швов и др.

На рис. 7.1, а–в приведен пример компонования вала с насадной деталью, опертой в бронзовой втулке. В конструкции а выбор посадочных диаметров не продуман. Правильно назначен основной посадочный размер (диаметр опорной шейки) из числа нормальных ( 50). Далее допущены ошибки. С целью уменьшения расхода бронзы конструктор принимает толщину стенок втулки равной 3,5 мм, вследствие чего получается нестандартный размер наружного диаметра втулки ( 57). Стремясь увеличить прочность вала в насадном соединении, конструктор уменьшает диаметр вала по отношению к диаметру шейки на 2 мм на сторону, в результате чего получается нестандартный диаметр 46, который приводит к размеру резьбы М45 под затяжную гайку.

Вкомпоновке на основе нормальных размеров (конструкция б) наружный диаметр втулки 60 мм, диаметр насадного соединения 45 мм. Отсюда следует размер резьбы М42. Однако стандартизация размеров в данном случае приводит к некоторому снижению прочности вала и увеличению массы бронзовой втулки. В более рациональной конструкции в диаметр шейки 55 мм, наружный диаметр втулки 60 мм, диаметр насадного соединения 50 мм.

Вконструкции г допущен значительный разнобой в размерах посадочных диаметров, резьб, шпонок и модулей зуба. В рациональной конструкции д сокращено число посадочных размеров, унифицированы шпонки и модули зубьев (т = 4). Необходимая прочность зуба малых зубчатых колес достигнута увеличением их

124

длины. В результате унификации номенклатура элементов сокращена с 16 до 7 наименований.

Рис. 7.1. Унификация элементов конструкции

В качестве примера унификации размеров под ключ приведем узел регулирования редукционного клапана (рис. 7.2). В конструкции а применены три размера (1–3), в унифицированной конструкции б – один размер (4).

125

7.3. Принцип агрегатности

Целесообразно конструировать узлы в виде независимых агрегатов, отдельно собираемых, регулируемых, подвергаемых обкатке, контрольным испытаниям и устанавливаемых в отработанном виде на машину. Последовательно проведенное агрегатирование позволяет осуществить параллельную и независимую сборку узлов машины, упрощает монтаж, ускоряет доводку опытных образцов, облегчает использование на новых машинах отработанных и проверенных в эксплуатации конструкций и упрощает ремонт, позволяя комплектно заменить износившиеся узлы новыми. Агрегатирование иногда усложняет конструкцию, но в конечном счете всегда дает большой выигрыш в общей стоимости изготовления машин, надежности и удобстве эксплуатации.

Примеры агрегатирования мелких узлов приведены на рис. 7.4.

Рис. 7.4. Агрегатирование

В конструкции а редукционный клапан установлен непосредственно в корпусе. Установка клапана в отдельной втулке (конструкция б) делает узел агрегатным. Конструкция в торцового уплотнения неудовлетворительна. При демонтаже уплотняющий диск 1 под действием пружины сходит с направляющей и пазов, фиксирующих его от вращения, и узел распадается. Неудобен и монтаж уплотнения. Введение кольцевого стопора 2 (конструкция г) придает узлу агрегатность.

Конструкция д узла установки распределительного золотника в станине ошибочна. Точное отверстие под золотник выполнено непосредственно в отливке станины. На участке расположения золотника, в месте скопления материала могут возникнуть раковины и пористость, делающие уплотнение золотника невозможным. Износ отверстия в эксплуатации можно исправить только установкой ремонтных гильз.

127

В улучшенной конструкции е золотник установлен в промежуточной втулке 3, выполненной из качественного материала с повышенной износостойкостью. В наиболее правильной конструкции ж золотник установлен в отдельном корпусе 4, соединяемом со станиной по привалочной поверхности.

7.4. Устранение подгонки

Необходимо избегать установки и подгонки узлов и деталей по месту. Подгонка, особенно сопровождаемая операциями слесарной или станочной обработки, снижает производительность сборки и лишает конструкцию взаимозаменяемости.

Конструкция зубчатой передачи (рис. 7.5, а) неудовлетворительна. Опоры зубчатых колес зафиксированы на корпусе болтами. Сборщик вынужден регулировать положение опор так, чтобы добиться правильного зацепления колес. При разборке регулировка сбивается, и в дальнейшем операцию подгонки приходится проделывать снова. Положение опор можно зафиксировать контрольными штифтами (б), но это требует дополнительных механических операций при сборке.

Рис. 7.5. Устранение подгонки при сборке

128

В правильной конструкции в опоры центрированы по отверстиям, взаимное расположение которых выдерживается с необходимой точностью при механической обработке корпуса. В наиболее целесообразной конструкции г зубчатые колеса заключены в общий корпус, что обеспечивает полную агрегатность и создает наилучшие условия для работы колес.

На рис. 7.5, д и е показаны неправильная и правильная конструкции узла установки зубчатого перебора с клиноременным приводом.

7.5. Устранение и уменьшение изгиба

Во всех случаях, когда допускает конструкция, изгиб следует заменять более выгодными видами деформации – растяжением, сжатием или сдвигом. Целесообразно применение стержневых или близких к ним систем, элементы которых работают преимущественно на рас- тяжение-сжатие. Если изгибное нагружение неизбежно, то следует уменьшать плечо изгибающих сил и увеличивать моменты сопротивления на опасных участках. Особенно это важно при консольном нагружении, наиболее невыгодном по прочности и жесткости.

Конструкция 1 (рис. 7.6) привода роликового толкателя ошибочна. Направляющая втулка толкателя, выполненная в виде консоли, подвергается сильному изгибу действием приводного кулачка. Крепление конца втулки в станине (конструкция 2) устраняет изгиб.

На рис. 7.6 приведен пример последовательного упрочнения сварного соединения проушины с трубой. Конструкция 3 нерациональна. Вылет проушины чрезмерно велик; соединение работает на изгиб. Протяженность сварного шва недостаточна; в его крайних верхних точках при изгибе возникают высокие растягивающие напряжения. В усиленной конструкции 4 проушина удлинена по направлению действия силы и подвергается преимущественно растяжению, а сварной шов – преимущественно сдвигу. В еще более прочной конструкции 5 проушина врезана в трубу.

Ниже рассмотрены приемы последовательного упрочнения фланцевого соединения, нагруженного растягивающими силами. Конструкция 6 нерациональна вследствие большого вылета крепежных болтов относительно стенок соединяемых деталей. Уменьшение вылета до предела, допускаемого условием размещения головок болта, а также условиями обработки опорных поверхностей под головки (конструкция 7), снижает изгибающий момент. Дальнейшего упроч-

129