Проектирование строительных и дорожных машин

привлечение жесткости смежных деталей;

для деталей коробчатого типа – применение скорлупчатых, сводчатых, сферических, яйцевидных и тому подобных форм;

для деталей типа дисков – применение конических, чашечных, сферических форм; рациональное оребрение, гофрирование;

для деталей типа плит – применение прочных, коробчатых, двутельных, ячеистых и сотовых конструкций.

Замена изгиба растяжением-сжатием. Повышенная жесткость деталей, работающих на растяжение-сжатие, в конечном итоге обусловлена лучшим использованием материала при этом виде нагружения. В случае изгиба и кручения нагружены преимущественно крайние волокна сечения. Предел нагружения наступает, когда напряжения в них достигают опасных значений, тогда как сердцевина остается недогруженной. При растяжении-сжатии напряжения одинаковы по всему сечению; материал используется полностью. Предел нагружения наступает, когда напряжения во всех точках сечения теоретически одновременно достигают опасного значения. Кроме того, при растяжении-сжатии деформации детали пропорциональны первой степени ее длины. В случае же изгиба действие нагрузки зависит от расстояния между плоскостью действия изгибающей силы и опасным сечением; деформации здесь пропорциональны третьей степени длины.

В качестве примера конструктивного увеличения жесткости рассмотрим литой кронштейн (рис. 4.1). Жесткость узлов соединения стержней в раскосном кронштейне видоизменяет условия их работы по сравнению с чистой фермой, в которой стержни соединены шарнирами; все же в случае раскосного кронштейна (рис. 4.1, б) стержни работают преимущественно на растяжение-сжатие, тогда как балочный кронштейн (рис. 4.1, а) подвергается изгибу. Конструкция становится еще более прочной и жесткой, если стержни кронштейна соединить сплошной перемычкой, связывающей их в жесткую систему (рис. 4.1, в).

Кронштейн ферменного типа с вертикальным стержнем (рис. 4.1, г) значительно менее жесткий, чем кронштейн на рис. 4.1, б, т. к. конец вертикального стержня под нагрузкой перемещается приблизительно по направлению действия силы и для ограничения деформаций его жесткость не используется.

70

Связь между растянутыми и сжатыми стенками осуществляют кольца жесткости т, п, которые помимо силового замыкания предотвращают овализацию конуса под действием нагрузки. Такие коль-ца являются непременным условием правильной работы тон- костен-ных отсеков.

Близки к конусам по жесткости тюльпанные (рис. 4.2, д), сферические (рис. 4.2, е), тороидные (рис. 4.2, ж) и аналогичные формы.

Пример устранения напряжений изгиба показан также на рис. 4.3. Здесь двухопорная балка, подвергающаяся изгибу (рис. 4.3, а), заменена более выгодной стержневой системой (рис. 4.3, б), наклонные стержни которой работают на сжатие, а горизонтальные – на растяжение. Близка к этому случаю арочная балка (рис. 4.3, в), работающая преимущественно на сжатие.

Рис. 4.3. Схемы свободно опертой балки (а), стержневой системы (б) и арочной балки (в)

На рис. 4.4, а показан случай нагружения цилиндра осевой силой. Нагрузка вызывает прогиб днища цилиндра, передающийся обечайке через пояс сопряжения ее с днищем (деформации показаны штриховой линией). Система является нежесткой. При замене цилиндра конусом (рис. 4.4, б) система по основной схеме восприятия сил приближается к стержневой ферме. Стенки конуса работают преимущественно на сжатие.

Повышенную жесткость имеют сферическая, яйцевидная и тому подобные формы (рис. 4.4, в и г).

На рис. 4.4, д–з также приведены примеры жестких конструкций. Существенное условие повышения жесткости и прочности здесь состоит в придании деталям кольцевых поясов жесткости, из которых верхний т работает на сжатие, а нижний п – на растяжение.

В усиленных конструкциях (рис. 4.4, и–м) введены элементы, непосредственно воспринимающие силу сжатия: ребра, цилиндры и конусы.

72

изгиба (потери устойчивости) сжатого стержня, что делает систему менее желательной.

Если нагрузка действует попеременно в обоих направлениях, то применяют раскосы перекрестные или чередующегося направления

(рис. 4.5, д и е).

Рис. 4.5. Схемы действия диагональных связей

Увеличение жесткости и прочности консольных конструкций.

Если применение консольной установки продиктовано необходимостью, то следует принимать все меры к устранению присущих ей недостатков. Необходимо уменьшать вылет консоли, увеличивать жесткость и прочность консольной части конструкции.

В ряде случаев можно добиться значительного укорочения консоли изменением формы детали. Вылет насадного конического колеса (рис. 4.6, а) можно уменьшить, переменив положение ступицы относительно венца (рис. 4.6, б) или изменив конструкцию колеса, выполняя его заодно с валом (рис. 4.6, в).

Рис. 4.6. Уменьшение вылета в консольной установке конического зубчатого колеса

74

Из сказанного о недостатках консольных систем отнюдь не вытекает, что конструктор должен безусловно избегать применения консолей. Консольные системы являются вполне закономерным элементом конструирования и широко используются на практике. Необходимо только знать их особенности и устранять недостатки соответствующими конструктивными мерами.

Применение консолей часто обеспечивает более простые, компактные, технологические и удобные для сборки конструкции, чем двух-опорные установки.

Жесткость и прочность консолей в большой степени зависят от условий заделки в корпусе. Усиление консоли как таковой бесполезно, если узел заделки недостаточно жесткий (рис. 4.7, а).

При радиальной заделке консоли придают фланец, который притягивают болтами к привалочной плоскости, усиленной ребрами т (рис. 4.7, б). В системе осевой заделки (рис. 4.7, в) консоли придают хвостовик, диаметром примерно равным диаметру консоли, который крепят запрессовкой или затяжкой в бобышке, жестко связанной с корпусом ребрами или (как показано на рисунке) коробкой. Для устойчивого крепления длину заделки делают не менее диаметра консоли.

В наиболее жесткой системе радиально-осевой заделки консоль крепят одновременно на фланце и на хвостовике, который сажают в бобышке по посадке с натягом или затягивают гайкой (рис. 4.7, г, д).

Рис. 4.7. Заделка консолей

Рациональное расположение опор. Так как прогиб двухопор-

ной балки пропорционален третьей степени пролета, то сближение опор является весьма эффективным средством повышения жестко-

75

сти. Во многих случаях жесткость системы удается увеличить введением дополнительных опор.

Рациональные сечения. Для повышения жесткости без увеличения массы деталей необходимо усиливать участки сечений, подвергающиеся при данном виде нагружения наиболее высоким напряжениям, и удалять ненагруженные и малонагруженные участки. При изгибе напряжены сечения, наиболее удаленные от нейтральной оси. При кручении напряжены внешние волокна по направлению к центру напряжения уменьшаются, и в центре они равны нулю. Следовательно, целесообразно всеми способами развивать наружные размеры, сосредотачивая материал на периферии и удаляя его из центра.

Наибольшей жесткостью и прочностью при наименьшей массе обладают развитые по периферии полые тонкостенные детали типа коробок, труб и оболочек.

Придание наиболее целесообразной двутавровой формы профилям одинаковой массы увеличивает их прочность в 9–12 раз, а жесткость – в 40–70 раз по сравнению с исходным профилем. Для профилей, одинаковых с исходным профилем прочности, придание двутавровой формы снижает массу до 0,12–0,2 и повышает жесткость в 3–3,5 раза по сравнению с исходным профилем.

Оребрение. Для увеличения жесткости, особенно литых корпусных деталей, широко применяют оребрение. Однако при этом необходимо соблюдать осторожность, т. к. неправильное соотношение сечений ребер и оребряемой детали может вместо упрочнения привести к ослаблению.

У деталей, подвергающихся изгибу в плоскости расположения наружных ребер, на вершине ребра возникают напряжения растяжения, достигающие большого значения вследствие малой ширины и малого сечения ребра. Особенно опасны тонкие ребра, сужающиеся к вершине; разрушение детали всегда начинается с разрыва вершины ребер. Прочность значительно возрастает при утолщении ребер, особенно на опасном участке, т. е. у вершины.

Очень часто применяют ребра треугольной формы с высотой, уменьшающейся в плоскости действия изгибающего момента. При такой форме ребер, какую бы начальную высоту они не имели, неизбежен участок, где наступает ослабление детали.

При конструировании ребер рекомендуется:

76

избегать нагружения ребер на растяжение; применять во всех случаях, когда это допускает конструкция, ребра сжатия;

избегать (особенно при ребрах растяжения) низких, тонких и редко расставленных ребер, снижающих прочность детали;

в корпусных деталях применять внутреннее оребрение (за исключением особых случаев, например, когда наружные ребра необходимы для охлаждения детали);

подводить ребра к узлам жесткости, в частности к точкам расположения крепежных болтов;

избегать ребер криволинейного очертания, испытывающих при растяжении дополнительный изгиб; применять прямые ребра;

Целесообразно (особенно у ребер растяжения) утолщать вершины, в которых при изгибе возникают наиболее высокие напряжения.

4.4. Жесткость машиностроительных конструкций

Примеры увеличения жесткости и прочности типовых машиностроительных деталей приведены в табл. 4.2.

Корпусные детали. Главными средствами повышения жесткости корпусных деталей без существенного увеличения их массы (а иногда и с ее уменьшением) являются: скругление переходов, придание стенкам сводчатых форм, рациональное внутреннее оребрение и введение между стенками связей (предпочтительно диагональных). Жесткость корпусов можно увеличить конструктивным объединением элементов корпуса в одно целое (моноблочные конструкции).

Тонкостенные конструкции. В конструкциях из листового материала (оболочковых, тонкостенных профилях, резервуарах, облицовках, панелях, крышках) необходимо учитывать не только деформации, вызываемые рабочими нагрузками, но и деформации, возникающие при сварке, механической обработке, соединении и затяжке сборных элементов. Следует считаться и с возможностью случайных повреждений стенок при транспортировке, монтаже и неосторожном обращении в эксплуатации. В сильно нагруженных оболочковых конструкциях первостепенное значение имеет предупреждение потери устойчивости оболочек.

77

78

79