11. Расчёт соединений деталей приводов

транспортной техники

В приводах транспортных машин применяются как разъёмные, так и неразъёмные соединения деталей. Выбор типа соединения обусловлен не только характером действующих нагрузок и условиями работы, но и технологическими факторами, главным из которых является ремонтопри­годность машины.

11.1. Расчёт сварного соединения. Уголковый кронштейн

для растяжек крепления нестандартного груза

при пе­ревозке в грузовом вагоне

Обычно расчёт сварных соединений выполняется на стадии проектиро­вания машины, когда известен общий вид конструкции, примерное располо­жение и длина швов, по справочным данным назначена марка электрода, оп­ределены допускаемые напряжения и толщина (катет) шва [1, 9, 29]. В результате оце­нивается прочность назначенных сварных швов, т.е. расчёт, в сущности, яв­ляется проверочным.

Электроды, покрытые металлические для ручной дуговой сварки конструкционных и теплоустойчивых сталей (по ГОСТ 9467-75) изготавливают следующих типов (табл. 11.1).

Таблица 11.1 Типы электродов и их применение
Тип	Свариваемые конструкции			Положение шва
Э38 Э42	Ответственные из низкоуглеродистых и некоторых низколегированных сталей (например, 09Г2) с сопротивлением разрыву до 500 МПа			нижнее наклонное
Э46 Э50	Ответственные металлоконструкции и детали машин из низкоуглеродистых сталей, работающих при статических и динамических знакопеременных нагрузках			любое
	Особо ответственные металлоконструкции из низколегированных, низкоуглеродистых сталей, работающих при динамических нагрузках; сосудов под давлением; заварки дефектов отливок
Э42А	Ответственные металлоконструкции из низкоуглеродистых, среднеуглеродистых и низколегированных сталей; заварки дефектов отливок с сопротивлением разрыву до 500 МПа, при повышенных требованиях к пластичности и ударной вязкости			любое
	Ответственные металлоконструкции и детали машин из низкоуглеродистых сталей, работающих при статических и динамических нагрузках
Э46А	Ответственные металлоконструкции из низколегированных сталей, работающих при статических и динамических нагрузках			любое
	Ответственные металлоконструкции из низкоуглеродистых сталей с сопротивлением разрыву до 500 МПа, при повышенных требованиях к пластичности и ударной вязкости
Э50А	Ответственные металлоконструкции из низкоуглеродистых, среднеуглеродистых и низколегированных сталей; заварки дефектов отливок, ремонтной и монтажной сварки с сопротивлением разрыву до 500 МПа, при повышенных требованиях к пластичности и ударной вязкости			Любое
	Ответственные металлоконструкции из низкоуглеродистых сталей, заварки дефектов отливок, ремонтной и монтажной сварки
Продолжение таблицы 11.1
Тип	Свариваемые конструкции			Положение шва
Э55 Э60	Ответственные металлоконструкции из среднеуглеродистых и низколегированных хромистых, хромомолибденовых и хромоникелемарганцовистых сталей, работающих в условиях тяжёлых динамических нагрузок с сопротивлением разрыву 500…600 МПа			любое
Э70	Высоконагруженные ответственные металлоконструкции из конструкционных и низколегированных сталей повышенной прочности, работающих при динамических нагрузках с временным сопротивлением разрыву свыше 600 МПа			нижнее
Э85	Ответственные металлоконструкции из низколегированных сталей повышенной прочности			любое
	Ответственные конструкции из сталей 40Хи30ХГСА, подвергающихся термической обработке до высокого предела прочности с временным сопротивлением разрыву свыше 600 МПа
Э100; Э125; Э150		Ответственные конструкции из среднелегированных высокопрочных сталей		нижнее
Э-09М, Э09МХ, Э09Х1М, Э-05Х2М, Э-09Х2М1, Э-09Х1МФ, Э-10Х1М1НФБ, Э-10Х3М1БФ, Э-10Х5МФ			Для сварки легированных и теплоустойчивых сталей	любое

В любом случае для расчёта самых сложных сварных швов сначала не­обходимо привести силу и момент к шву и распределить их пропорцио­нально несущей способности (длине) всех простых участков. Таким образом, любой сложный шов сводится к комбинации простейших расчётных схем: лобовых, фланговых, косых, тавровых и угловых.

Рассмотрим методику прочностного расчёта сварных швов на примере конструкции уголкового кронштейна (рис. 11.1) для растяжек крепления нестандартного груза при пе­ревозке в грузовом вагоне. Особенностью применения сварных соединений на железнодорожном транспорте является низкая возможность автоматизации технологического процесса и, соответственно, преимущественное применение ручных режимов сварки.

Из конструктивных соображений нижнее ребро уголка подкошено (α =75°) и таким образом имеется три участка сварного шва: лобовой (рис. 11.2), флан­говый (рис. 11.3) и косой (рис. 11.4). Уголки приварены к силовому ребру с двух сторон. Кон­сольный вынос кронштейна L = 100 мм. Рассчитаем конструкцию на случай действия нагрузки Q =10200 кГ (100 КН).

Рис. 11.1. Кронштейн для крепления растяжек

Здесь, как и в любой другой задаче, в первую очередь распределяем и приводим нагрузку к каждому из участков сварного шва.

Нагрузка распределяется по участкам шва пропорционально их длинам:

Q_i = QL_i/(L₁+L₂+L₃), однако такое уравнение с тремя неизвестными требует задать, по крайней мере предварительно, длины участков шва.

Примем L₁ = 100 мм, L₃= L₁/sin α = 100/sin75° = 103,5 мм. Назначим по ГОСТ 8509-93 для кронштейна уголок № 10 (ребро 100 мм), т.е. длина фланго­вого шва L₂ = 100 мм.

Тогда мы можем распределить нагрузку Q по участкам шва:

(1) лобовой Q₁ = QL₁/(L₁+L₂+L₃) = 100∙100/(100+100+103,5) = 32,95 КН;

(2) фланговый Q₂ = QL₂/(L₁+L₂+L₃) = 100∙100/303,5 = 32,95 КН;

(3) косой Q₃ = QL₂/(L₁+L₂+L₃) = 100∙103,5/303,5 = 34,10 КН.

Перенесём каждую из составляющих силы к середине соответствую­щего участка, при этом добавятся и соответствующие моменты:

M₁ = Q₁ (L+L₁/2) = 32,95(100 + 100/2) = 4942,5 КНмм;

M₂ = Q₂ (L + L₁) = 32,95(100 + 100 + 8/2) = 6721,8 КНмм;

M₃ = Q₃ (L+L₁/2) = 34,10(100 +100/2) = 5115,0 КНмм.

Таким образом, наша задача разделяется на три подзадачи.

Рис. 11.2. Лобовой шов и его нагрузки	Лобовой шов: L1=100мм, Q1 =32,95 КН, M1 =4942,5 КНмм. Здесь сила Q1 вызывает нормальные напряже­ния, а момент M1 – ка­сательные напряжения.
Рис. 11.3. Фланговый шов и его нагрузки	Фланговый шов: L2 = 100 мм, Q2 = 32,95 КН; M2 = 6721,8 КНмм. Здесь и сила Q2 и момент M2 вызывают касательные напряжения.
Рис. 11.4. Косой шов и его нагрузки	Косой шов: L3= 103,5 мм; Q3 = 34,10 КН; M3 = 5115,0 КНмм. Здесь силу Q3 разложим на составляю­щие касательную и нормальную ко шву: Q3t = Q3 ∙ cosα = 34,1∙ cos75° = 8,825 КН; Q3n = Q3 ∙ sinα = 34,1∙ sin75° = 32,94 КН. Эти проекции вызывают, соответственно, касательные и нормальные напряжения. Момент в плоскости шва вызывает касательные напряжения.

Далее для расчётов напряжений в участках шва необходимо задаться размерами его сечения. Длины участков известны, а катет шва обусловлен применяемым сварочным электродом (табл. 11.1).

Назначаем электрод Э42, катет шва не должен превышать наименьшей толщины свариваемых деталей, в нашем случае для уголка №10 k = 8 мм.

Площадь расчётного сечения шва равна A_i = β·k·L_i·n, где n – число участков, в нашем случае n = 2, т.к. приварено два уголка, β – коэффициент глубины проплавления материала:

β = 0,7 для ручной сварки и автоматической за много проходов;

β = 0,8 для полуавтоматической сварки в два и три прохода;

β = 0,9 для автоматической сварки в два и три прохода;

β = 1,1 для автоматической сварки в один проход.

Предполагая ручную сварку, принимаем β = 0,7.

Рассчитываем напряжения в участках сварного шва.

Лобовой шов (рис. 11.2):

нормальные напряжения σ_1Q = Q₁/(β·k·L₁·n) = 32,95/(0,7·10·100·2) = 23,54 МПа;

касательные напряжения τ_1М = M₁/(β·k·L₁ ²·n) = 4942,5/(0,7·10·100²·2) = 35,3 МПа.

Фланговый шов (рис. 11.3): касательные напряжения от силы τ_2Q = = Q₂/(β·k·L₂·n) =32,95/(0,7·10·100·2) = 23,54 МПа; касательные напряжения от момента τ_2М = M₂/(β·k·L₂ ²·n) = 6721,8/(0,7·10·100²·2) = 48,01 МПа; суммарные касательные напряжения τ₂= τ_2Q + τ_2М =23,54 + 48,01= 71,55 МПа.

Косой шов (рис. 11.4): нормальные напряжения от нормальной проекции силы σ_3Qn = Q_3n/(β·k·L₃·n) = 32,94/(0,7·10·103,5²·2) = 21,96 МПа; касательные напряжения от касательной проекции силы τ_3Qt = Q_3t/(β·k·L₃·n) = = 8,825/(0,7·10·103,5·2) = 12,18 МПа; касательные напряжения от момента τ_3М = M₃/(β·k·L₃ ²·n) = 5115,0/(0,7·10·103,5²·2) = 34,11 МПа.

Назначаем допускаемые напряжения сварного шва. Это является существенным моментом в расчёте сварных соединений. При статической нагрузке они задаются в долях от допускаемых напряжений основного металла соединяемых деталей на растяжение в зависимости от нагрузок, испытываемых швом: [σ]_шв = [σ]_р при сжатии шва; [σ]_шв = 0,9[σ]_р при растяжении или сдвиге шва; [τ]_шв = 0,6[σ]_р при кручении шва.

Таблица 11.2 Допускаемые напряжения, МПа для углеродистых горячекатанных сталей
Марка стали		Ст2	Ст3	Ст4	Ст5	Ст6
Нагрузка	Статическая	115	125	140	165	195
	Пульсирующая	80	90	95	115	140
	Знакопеременная	60	70	75	90	110

Допускаемые напряжения металла деталей [σ_р] могут рассчитываться по пределу текучести.

Таблица 11.3 Пределы текучести конструкционных сталей, МПа, (без специальной термообработки)
Сталь	08	10	15	20	25	30	35	40	45	50	20Г	30Г	40Г	50Г
σТ	200	210	230	250	280	300	320	340	360	380	280	320	360	400
Сталь	65Г	10Г2	09Г2С	10ХСНД	20Х	40Х	45Х	50Х	35Г2	40Г2	45Г2	33ХС	38ХС	18ХГТ
σТ	440	250	350	400	300	330	350	350	370	390	410	300	750	430
Сталь	30ХГТ	20ХГНР	40ХФА	30ХМ	35ХМ	4-ХН	12ХН2	12ХН3А	20Х2Н4А	20ХГСА	30ХГС	30ХГСА	38Х210	50ХФА
σТ	1050	1200	750	750	850	460	600	700	450	650	360	850	700	1100
Сталь	60С2	60С2А	20Л	25Л	30Л	35Л	45Л	50Л	20ГЛ	35ГЛ	30ГСЛ	40ХЛ	35ХГСЛ	35ХМЛ
σТ	1200	1400	216	235	255	275	314	334	275	294	343	491	343	392

−

В зависимости от условий работы и возможной перегрузки конструкции

[σ_р] = σ_Т· K_М · K_P / (K_Э · K_σ),

где коэффициент материала K_М = 0,85 для низколегированных сталей, K_М = 0,9 для малоуглеродистых сталей; коэффициент условий работы K_P = 0,8 для транспорта, K_P = 0,9 для стационарных конструкций; коэффициент перегрузки K_Э для обычных режимов эксплуатации K_Э =1,1; для резервуаров с внутренним давлением K_Э =1,2; для строительно-дорожных машин при тяжёлом режиме работы K_Э =1,3…1,5; эффективный коэффициент концентрации напряжений K_σ зависит от конструкции и технологии шва

Таблица 11.4 Коэффициент концентрации напряжений Kσ
Элементы:	Малоуглеродистая сталь	Низколегированная сталь
У перехода к стыковому шву с мех. обработкой	1,2	1,4
То же без механической обработки	1,5	1,9
У перехода к лобовому шву с мех. обработкой и отношением катетов 1:1,5	2	2,5
То же без механической обработки	2,7	3,3
У флангового шва	3,5	4,5
У рёбер жёсткости и диафрагм, приваренных лобовыми швами с плавными переходами	1,5	1,9
У косынок, приваренных встык и втавр	2,7	3,3
То же при плавных формах косынок и механической обработке швов	1,5	1,9
У косынок, приваренных внахлёстку	2,7	3,3
Сварные швы:
стыковые с полным проваром	1,2	1,4
угловые и лобовые	2	2,5
фланговые	3,5	4,5
Примечание. Kσ = 1 можно принимать для шва и основного металла при автоматической сварке или ручной с рентгенодефектоскопией.

−

Допускаемые напряжения при переменных нагрузках можно уточнить умножением статических допускаемых напряжений на коэффициент

где r = σ_min/σ_max, a,b – коэффициенты: для углеродистой стали a = 0,9; b = 0,3; для дорожно-строительных машин при тяжёлых условиях работы принимают a = 0,6; b = 0,2.

В нашем случае применяется уголок горячекатанный, равнопрочный №10, 100×10 ГОСТ 8509-93 из стали Ст3. Нагрузку предполагаем пульсирующей, поскольку растяжки не будут передавать на крепёжные уголки толкающих усилий. Следовательно, по таблице допускаемых напряжений [σ_p] выбираем 90 Мпа. Поскольку швы не испытывают кручения, а только растяжение или сдвиг, допускаемые напряжения рассчитываем, как [σ_шв] = 0,9[σ_р] = 0,9 · 90 = = 81 Мпа. Это больше, чем напряжения в любом участке шва (в лобовом: 35,30 Мпа; во фланговом: 71,55 Мпа; в косом: 34,11 Мпа).

При заданных нагрузках и конструктивных параметрах крепёжных кронштейнов условие прочности сварных швов выполняется.